无锁编程以及CAS

无锁编程 / lock-free / 非阻塞同步

无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫 非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。

实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”（  Non-blocking algorithm）。

lock-free是目前最常见的无锁编程的 实现级别（一共三种级别）。

为什么要 Non-blocking sync ？

使用lock实现线程同步有很多缺点：

* 产生竞争时，线程被阻塞等待，无法做到线程实时响应。

* dead lock。

* live lock。

* 优先级翻转。

* 使用不当，造成性能下降。

 

如果在不使用 lock 的情况下，实现变量同步，那就会避免很多问题。虽然目前来看，无锁编程并不能替代 lock。

实现级别

非同步阻塞的实现可以分成三个级别：wait-free/lock-free/obstruction-free。

 

wait-free

是最理想的模式，整个操作保证每个线程在有限步骤下完成。

保证系统级吞吐（system-wide throughput）以及无线程饥饿。

截止2011年，没有多少具体的实现。即使实现了，也需要依赖于具体CPU。

 

lock-free

允许个别线程饥饿，但保证系统级吞吐。

确保至少有一个线程能够继续执行。

wait-free的算法必定也是lock-free的。

 

obstruction-free

在任何时间点，一个线程被隔离为一个事务进行执行（其他线程suspended），并且在有限步骤内完成。在执行过程中，一旦发现数据被修改（采用时间戳、版本号），则回滚。

也叫做乐观锁，即 乐观并发控制(OOC)。事务的过程是：1读取，并写时间戳；2准备写入，版本校验；3校验通过则写入，校验不通过，则回滚。

lock-free必定是obstruction-free的。

CAS原语

LL/SC, atom read-modify-write

如果CPU提供了Load-Link/Store-Conditional（LL/SC） 这对指令，则就可以轻松实现变量的CPU级别无锁同步。

LL [addr],dst：从内存[addr]处读取值到dst。

SC value,[addr]：对于当前线程，自从上次的LL动作后内存值没有改变，就更新成新值。

上述过程就是实现lock-free的 read-modify-write 的原子操作。

 

CAS （Compare-And-Swap）

LL/SC这对CPU指令没有实现，那么就需要寻找其他算法，比如CAS。

CAS是一组原语指令，用来实现多线程下的变量同步。

在 x86 下的指令CMPXCHG实现了CAS，前置LOCK既可以达到原子性操作。截止2013，大部分多核处理器均支持CAS。

CAS原语有三个参数，内存地址，期望值，新值。如果内存地址的值==期望值，表示该值未修改，此时可以修改成新值。否则表示修改失败，返回false，由用户决定后续操作。

Bool CAS(T* addr, T expected, T newValue) 
 { 
      if( *addr == expected ) 
     { 
          *addr =  newValue; 
           return true; 
     } 
     else 
           return false; 
 }

 

ABA 问题

thread1意图对val=1进行操作变成2，cas(*val,1,2)。

thread1先读取val=1；thread1被 抢占（preempted），让thread2运行。

thread2 修改val=3，又修改回1。

thread1继续执行，发现期望值与“原值”（其实被修改过了）相同，完成CAS操作。

 

使用CAS会造成ABA问题，特别是在使用指针操作一些并发数据结构时。

 

解决方案

ABAʹ：添加额外的标记用来指示是否被修改。

语言实现

Java demo

AtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);

boolean r = atom.compareAndSet(1, 2);

 

C# demo

int i=1;

Interlocked.Increment(ref i);

 

Refs

http://en.wikipedia.org/wiki/Non-blocking_algorithm 

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-lockfree/ 

http://en.wikipedia.org/wiki/Load-Link/Store-Conditional ： LL/SC

http://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap CAS

http://en.wikipedia.org/wiki/Optimistic_concurrency_control 

http://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem ABA 以及相关例子

http://en.wikipedia.org/wiki/Preemption_(computing) 抢占