无锁编程：lock-free原理

定义

无锁编程是指在不使用锁的情况下，在多线程环境下实现多变量的同步。即在没有线程阻塞的情况下实现同步。这样可以避免竞态、死锁等问题。

原理

CAS是指Compare-and-swap或Compare-and-Set
CAS是一个原子操作，用于多线程环境下的同步。它比较内存中的内容和给定的值，只有当两者相同时（说明其未被修改），才会修改内存中的内容。
实现如下：

int compare_and_swap(int* reg, int oldval, int newval)
{
  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval)
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;
}

或

bool compare_and_swap(int *accum, int *dest, int newval)
{
  if (*accum == *dest) {
      *dest = newval;
      return true;
  } else {
      *accum = *dest;
      return false;
  }
}

返回bool值得好处是可以知道是否设置成功。

在实际环境中，使用的是：

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)

在使用CAS时，需要先获取操作变量的值并放到oldval中，之后调用cas函数，直到调用成功。例如给变量val赋值

while(true)
{
    int oldval=val;
    if(__sync_bool_compare_and_swap(&val, oldval, newval))
        break;
}

ABA问题

在多线程环境中，使用lock-free的CAS时，如果一个线程对变量修改2次，第2次修改后的值和第1次修改前的值相同，那么可能就会出现ABA问题。以上面的例子为例：
假设有两个线程P1和P2，P1执行完int oldval=val后被其他线程抢占。P2线程在此期间修改了val的值（可能多次修改），但最终val的值和修改前一样。当P1线程之后运行CAS函数时，并不能发现这个问题。这就是ABA问题。

解决方法

一个常用的方法是添加额外的“tag”或“stamp”位来标记是指针是否被修改过。

参考：
Compare-and-swap

ABA problem