《c++并发编程实战解析》 无锁数据结构 doubly-buffered-data

多线程环境设计数据结构相比单线程，需要额外注意的是利用多线程提升并发度同时保持数据结构不变性，即满足如下两个原则：

1、正确性，保证多线程并发访问没有 data race

2、性能，保护最小的数据，提供最大的性能

《c++并发编程实战》提供了一种【无锁数据结构】，注意这里无锁的含义不是真正无锁，而是利用数据结构特性保证运行时并发抢锁的线程数量最小，达到一种常态下访问数据结构不被锁阻塞的状态

使用场景：

1、读远多于写

2、数据小，一般最大为几K字节的元数据

3、数据可以应用到一致性状态机，即byte级别判断为相等的两份数据，执行同种操作后仍保持一致

和传统读写锁的区别和优势：single unix的读写锁要求有线程在获取写锁阻塞时，后续读锁阻塞，从而防止写锁被饿死，这样造成了一个后果，若有写请求到来，则写操作完成前，无法处理新的读请求，从而造成系统【颠簸】，在有写请求的时候对外表现为性能下降，读延迟增加。DoublyBufferData将数据保存两份，分成前端和后端，读请求读前端，写请求到来写后端，用c++11  memory_order语义保证写请求完成后新的读请求可以立刻读取最新的结果同时无data race，是一种典型的【空间换时间】模式

数据结构图示：

原理描述：

1、DoublyBufferedData中包含foreground和background两份数据，index值为0或1，指示读请求应该访问的数据，如index为0表示此时应该读取data0，data0是只读的，因此多线程访问不需要并发保护，这里是无锁的

2、当有线程请求修改，首先根据 !index 获取background并做修改，background没有读者，因此这里可以放心修改，修改完成后，data0是旧数据，data1是新数据，使用memory_order_release语义修改index = !index，这样后续使用memory_order_acquire语义访问index的线程可以看到修改（inter-thread的sychronization-with关系）

3、对于此前正在访问data0的线程，通过遍历wrappers可以得到这些线程各自对应的wrapper，进而等待所有这些线程访问结束

4、到这里，所有之前读data0的请求都结束了，所有后续的读请求都请求到data1，此时可以放心的修改data0，从而完成一次修改操作

代码：

1、DoublyBufferedDataWrapperBase：

提供线程私有存储的ABC类，T是数据类型，TLS用于线程私有存储，可用于保存上下文，没有特殊要求不需要使用TLS

template 
class DoublyBufferedDataWrapperBase {
public:
    TLS& user_tls() { return _user_tls; }
protected:
    TLS _user_tls;
};

2、Wrapper：

每个线程使用一个wrapper对数据进行访问，包含一个pthread_mutex_t，因为读没有并发，因此这个锁是没有竞争的，近似于无锁访问

template 
class DoublyBufferedData::Wrapper
    : public DoublyBufferedDataWrapperBase {
friend class DoublyBufferedData;
public:
    explicit Wrapper() : _control(NULL) {
        pthread_mutex_init(&_mutex, NULL);
    }
    ~Wrapper() {
        if (_control != NULL) {
            _control->RemoveWrapper(this);
        }
        pthread_mutex_destroy(&_mutex);
    }
    inline void BeginRead() {
        pthread_mutex_lock(&_mutex);
    }

    inline void EndRead() {
        pthread_mutex_unlock(&_mutex);
    }

    inline void WaitReadDone() {
        LOCK_GUARD(mutex);
    }

private:
    DoublyBufferedData* _control;
    pthread_mutex_t _mutex;
};

3、WrapperTLSGroup

全局管理器，每个希望使用DoublyBufferedData的数据向这个类申请一个全局唯一id，访问此数据的thread根据这个id申请自己的wrapper，每个线程内的wrapper用block组织，一个block大小4k字节，超过4k的数据独占block，否则一个block内分配多个wrapper

template 
class DoublyBufferedData::WrapperTLSGroup {
public:
    const static size_t RAW_BLOCK_SIZE = 4096;
    const static size_t ELEMENTS_PER_BLOCK = (RAW_BLOCK_SIZE + sizeof(T) - 1) / sizeof(T);

    struct __declspec(align(64)) ThreadBlock {
        inline DoublyBufferedData::Wrapper* at(size_t offset) {
            return _data + offset;
        };

    private:
        DoublyBufferedData::Wrapper _data[ELEMENTS_PER_BLOCK];
    };

    inline static WrapperTLSId key_create() {
        LOCK_GUARD(_s_mutex);
        WrapperTLSId id = 0;
        if (!_get_free_ids().empty()) {
            id = _get_free_ids().back();
            _get_free_ids().pop_back();
        } else {
            id = _s_id++;
        }
        return id;
    }

    inline static int key_delete(WrapperTLSId id) {
        LOCK_GUARD(_s_mutex);
        if (id < 0 || id >= _s_id) {
            errno = EINVAL;
            return -1;
        }
        _get_free_ids().push_back(id);
        return 0;
    }

    inline static DoublyBufferedData::Wrapper* get_or_create_tls_data(WrapperTLSId id) {
        if (unlikely(id < 0)) {
            CHECK(false) << "Invalid id=" << id;
            return NULL;
        }
        if (_s_tls_blocks == NULL) {
            _s_tls_blocks = new (std::nothrow) std::vector;
            if (BAIDU_UNLIKELY(_s_tls_blocks == NULL)) {
                LOG(FATAL) << "Fail to create vector, " << berror();
                return NULL;
            }
            thread_atexit(_destroy_tls_blocks);
        }
        const size_t block_id = (size_t)id / ELEMENTS_PER_BLOCK;
        if (block_id >= _s_tls_blocks->size()) {
            _s_tls_blocks->resize(std::max(block_id + 1, 32ul));
        }
        ThreadBlock* tb = (*_s_tls_blocks)[block_id];
        if (tb == NULL) {
            ThreadBlock* new_block = new (std::nothrow) ThreadBlock;
            if (BAIDU_UNLIKELY(new_block == NULL)) {
                return NULL;
            }
            tb = new_block;
            (*_s_tls_blocks)[block_id] = new_block;
        }
        return tb->at(id - block_id * ELEMENTS_PER_BLOCK);
    }

private:
    static void _destroy_tls_blocks() {
        if (!_s_tls_blocks) {
            return;
        }
        for (size_t i = 0; i < _s_tls_blocks->size(); ++i) {
            delete (*_s_tls_blocks)[i];
        }
        delete _s_tls_blocks;
        _s_tls_blocks = NULL;
    }

    inline static std::deque& _get_free_ids() {
        if (unlikely(!_s_free_ids)) {
            _s_free_ids = new (std::nothrow) std::deque();
            if (!_s_free_ids) {
                abort();
            }
        }
        return *_s_free_ids;
    }

private:
    static pthread_mutex_t _s_mutex;
    static WrapperTLSId _s_id;
    static std::deque* _s_free_ids;
    static __thread std::vector* _s_tls_blocks;
};

4、ScopedPtr：

提供给调用者使用的数据结构，调用者通过此类进行数据访问，内部封装并发逻辑

class ScopedPtr {
friend class DoublyBufferedData;
public:
    ScopedPtr() : _data(NULL), _w(NULL) {}
    ~ScopedPtr() {
        if (_w) {
            _w->EndRead();
        }
    }
    const T* get() const { return _data; }
    const T& operator*() const { return *_data; }
    const T* operator->() const { return _data; }
    TLS& tls() { return _w->user_tls(); }

private:
    ScopedPtr(const ScopedPtr&) = delete;
    ScopedPtr& operator=(const ScopedPtr&) = delete;
    const T* _data;
    Wrapper* _w;
};

5、DoublyBufferData：

数据存储单元，内部包含T[0]和T[1]两份数据，调用用户函数进行数据修改

template 
class DoublyBufferedData {
    class Wrapper;
    class WrapperTLSGroup;
    typedef int WrapperTLSId;
public:

    DoublyBufferedData();
    ~DoublyBufferedData();

    int Read(ScopedPtr* ptr);
    template  size_t Modify(Fn& fn);
    template  size_t Modify(Fn& fn, const Arg1&);
    template 
    size_t Modify(Fn& fn, const Arg1&, const Arg2&);

    template  size_t ModifyWithForeground(Fn& fn);
    template 
    size_t ModifyWithForeground(Fn& fn, const Arg1&);
    template 
    size_t ModifyWithForeground(Fn& fn, const Arg1&, const Arg2&);

private:
    template 
    struct WithFG0 {
        WithFG0(Fn& fn, T* data) : _fn(fn), _data(data) { }
        size_t operator()(T& bg) {
            return _fn(bg, (const T&)_data[&bg == _data]);
        }
    private:
        Fn& _fn;
        T* _data;
    };

    template 
    struct WithFG1 {
        WithFG1(Fn& fn, T* data, const Arg1& arg1)
            : _fn(fn), _data(data), _arg1(arg1) {}
        size_t operator()(T& bg) {
            return _fn(bg, (const T&)_data[&bg == _data], _arg1);
        }
    private:
        Fn& _fn;
        T* _data;
        const Arg1& _arg1;
    };

    template 
    struct WithFG2 {
        WithFG2(Fn& fn, T* data, const Arg1& arg1, const Arg2& arg2)
            : _fn(fn), _data(data), _arg1(arg1), _arg2(arg2) {}
        size_t operator()(T& bg) {
            return _fn(bg, (const T&)_data[&bg == _data], _arg1, _arg2);
        }
    private:
        Fn& _fn;
        T* _data;
        const Arg1& _arg1;
        const Arg2& _arg2;
    };

    template 
    struct Closure1 {
        Closure1(Fn& fn, const Arg1& arg1) : _fn(fn), _arg1(arg1) {}
        size_t operator()(T& bg) { return _fn(bg, _arg1); }
    private:
        Fn& _fn;
        const Arg1& _arg1;
    };

    template 
    struct Closure2 {
        Closure2(Fn& fn, const Arg1& arg1, const Arg2& arg2)
            : _fn(fn), _arg1(arg1), _arg2(arg2) {}
        size_t operator()(T& bg) { return _fn(bg, _arg1, _arg2); }
    private:
        Fn& _fn;
        const Arg1& _arg1;
        const Arg2& _arg2;
    };

    const T* UnsafeRead() const
    { return _data + _index.load(base::memory_order_acquire); }
    Wrapper* AddWrapper(Wrapper*);
    void RemoveWrapper(Wrapper*);

    T _data[2];

    base::atomic _index;
    WrapperTLSId _wrapper_key;
    std::vector _wrappers;
    pthread_mutex_t _wrappers_mutex;
    pthread_mutex_t _modify_mutex;
};