多读者多写者的无锁队列

单读者单写者很容易进行冲突避免，毕竟他们操作的是不同的指针(head和rear)，而多读者则需要共同操作head，多写者共同操作rear，似乎必须要加锁，锁机制是内核提供的一种对象，比较影响效率。

可以借鉴spinlock的实现机制，利用CPU提供的原子指令(x86上有cmpxchg，即比较交换，当某个内存地址里的值等于某个值时，则将该地址里的内容与某个寄存器交换，这一系列操作是原子的，由CPU保证)，实现CAS原子操作，意为Compare & Set(Swap?)。

 

一种典型的CAS描述如下：

bool compare_and_set(int *reg, int oldval, int newval){



if(*reg==oldval){



*reg=newval;



return true;



}



return false;



}

记住这个CAS操作是原子的，即不可能多个线程通过CAS操作相同的对象。

 

于是，对于入队列可以实现为

void Enqueue(x){



q=new node();



q->value=x;



q->next=NULL;



do{



p=tail;



}while(!CAS(p->next,NULL,q));



CAS(tail,p,q);



}

这种实现有个问题，即只有第一个线程执行了CAS(tail,p,q)，其他的线程才能结束循环，继续下一步，而如果第一个线程异常终止或暂停(而没有成功执行CAS操作)，则其他所有线程都要死循环。

解决办法是，在do循环中，让线程自己遍历到真正的尾指针，而不是等待tail被更新。

void Enqueue(x){



q=new node();



q->value=x;



q->next=NULL;



p=tail;



do{



while(p->next!=NULL) p=p->next;



}while(!CAS(p->next,NULL,q));



CAS(tail,p,q);



}

如此，即使第一个线程没有执行CAS(tail,p,q)，其他线程也可以正常退出循环。

然而，问题又来了，如果多个线程同时到达CAS(tail,p,q)，那么只有第一个线程才能正确执行，因为其他的线程此时不满足tail==p，只有等到第一个线程正确执行CAS(tail,p,q)后，才能满足tail==p。遗憾的是，多个线程执行CAS(tail,p,q)的顺序是随机的，如果它们正好按照1,2,3,...的顺序执行，则最终tail可以指向正确的尾指针，如果是...,3,2,1，则前面所有线程的CAS(tail,p,q)都会失败，最后tail指向错误的结尾。

为了在这个地方确定一个顺序，可以给每个线程的q一个编号，该编号即为该节点在链表里的序号，最后CAS(tail,p,q)前，判断当前q的序号是否大于tail的，如果大于，则执行，否则不执行。

void Enqueue(x){



q=new node();



q->value=x;



q->next=NULL;



p=tail;



q->id=p->id+1;



do{



while(p->next!=NULL) {p=p->next;q->id++;}



}while(!CAS(p->next,NULL,q));



do{



p=tail;



}while(q->id>p->id && CAS(tail,p,q));



}