用原子操作实现无锁编程
假设我们要维护一个全局的线程安全的 int 类型变量 count, 下面这两行代码都是很危险的:
count ++;
count += n;
我们知道, 高级语言中的一条语句, 并不是一个原子操作. 比如一个最简单的自增操作就分为三步:
1. 从缓存取到寄存器
2. 在寄存器加1
3. 存入缓存。
多个线程访问同一块内存时, 需要加锁来保证访问操作是互斥的.
所以, 我们可以在操作 count 的时候加一个互斥锁. 如下面的代码：
pthread_mutex_t count_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&count_lock);
count++;
pthread_mutex_unlock(&count_lock);
另一个办法就是, 让 count++ 和 count+=n 这样的语句变成原子操作. 一个原子操作必然是线程安全的. 有两种使用原子操作的方式:
1. 使用 gcc 的原子操作
2. 使用 c++11中STL中的 stomic 类的函数
在这里我只介绍 gcc 里的原子操作, 这些函数分成以下几组:
type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)
返回更新前的值
type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
返回更新后的值
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
这两个函数提供原子的比较和交换，如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,
第一个函数在相等并写入的情况下返回true.
第二个函数在返回操作之前的值。
type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。
void __sync_lock_release (type *ptr, ...)
将*ptr置0
因为 gcc 具体实现的问题, 后面的可扩展参数 (...) 没有什么用, 可以省略掉.
gcc 保证了这些接口都是原子的. 调用这些接口时, 前端串行总线会被锁住, 锁住了它, 其它 cpu 就不能从存储器获取数据. 从而保证对内存操作的互斥. 当然, 这种操作是有不小代价, 所以只能在操作小的内存才可以这么做. 上面的接口使用的 type 只能是 1, 2, 4 或 8 字节的整形,
即：
int8_t / uint8_t
int16_t / uint16_t
int32_t / uint32_t
int64_t / uint64_t
性能上原子操作的速度是互斥锁的6～7倍。
count 初始值为0, 可以这么写
__sync_fetch_and_add(&count, 1);//返回0, count现在等于1, 类似 count ++
count 初始值为0, 或者这么写
__sync_add_and_fetch(&count, 1);//返回1, count现在等于1, 类似 ++ count
原子操作也可以用来实现互斥锁:
int a = 0;
#define LOCK(a) while (__sync_lock_test_and_set(&a,1)) {sched_yield();}
#define UNLOCK(a) __sync_lock_release(&a);
sched_yield()这个函数可以使用另一个级别等于或高于当前线程的线程先运行。如果没有符合条件的线程，那么这个函数将会立刻返回然后继续执行当前线程的程序。
如果去掉
sched_yield(), 这个锁就会一直自旋.
下面我们利用原子操作来实现一个无锁并发堆栈;
struct Node{
void* data;
Node* next
Node(void* d):data(d),next(NULL){}
};
class Stack{
public:
Stack():top(NULL){}
void Push(void* d);
void* Pop();
private:
Node *top;
};
void Stack::Push(void* d){
Node* n = new Node(d);
for (;;){
n->next = top;
if (__sync_bool_compare_and_swap(&top, n->next, n)){
break;
}
}
}
压栈操作首先创建了一个新节点，它的 next 指针指向堆栈的顶部。然后用原子操作把新的节点复制到 top 位置。 从多个线程的角度来看，完全可能有两个或更多线程同时试图把数据压入堆栈。假设线程 A 试图把 pA 压入堆栈，线程 B 试图压入 pB，线程 A 先获得了时间片。在
n->next = top
指令结束之后，调度程序暂停了线程 A。现在，线程 B 获得了时间片，它能够完成原子操作，把 pB 压入堆栈后结束。接下来，线程 A 恢复执行，显然对于这个线程
*top
和
n->next
不匹配，因为线程 B 修改了 top 位置的内容。因此，代码回到循环的开头，指向正确的 top 指针（线程 B 修改后的），调用原子操作，把 pA 压入堆栈后结束。
void* Stack::Pop(){
for (;;){
Node* n = top;
if (n == NULL){
return NULL;
}
if (top != NULL && __sync_bool_compare_and_swap(&top, n, n->next)){
void* p = n->data;
delete n;
return p;
}
}
}
出栈操作的原理和压栈类似. 即使线程 B 在线程 A 试图弹出数据的同时修改了堆栈顶，也可以确保不会跳过堆栈中的元素。