Boost Lockfree

Boost Lockfree

flyfish 2014-9-30

首先lockfree ，如何去理解这个free

引用自《英语学习漫谈》

　free诚然可以当自由来理解，但自由并没有触及到 free的核心概念，所以你在很多场合看到free的时候，会产生理解困难。那年迈阿密热打进NBA总决赛，比赛转播期间电视上不停地打出一个广告，说佛罗里达要成为一个 tobaccofree的州，这显然不是说你在佛罗里达可以随便抽烟，而是此州（所有公共场所）不能抽烟；最近美国的几家航空公司开始考虑在飞机上设立childrenfree区，就是不让小孩儿进去，免得打搅其他旅客；美国的drugstore里出售的软饮料包装上可能会有“alcohol free”的字样，就是说不含酒精。　　“自由”是free的引申义。free的核心概念是“无……”。“无”的一般来说是一些会让你不开心的东西，诸如负担、负税、责任、包袱、费用、规则、担忧、焦虑……“自由”本身也是没有负担和阻碍的意思。当free出现在一个词后面的时候，如 alcohol free，就是要把这个词代表的东西干掉了，这个用法才接近free的核心含义。英美人看到free，潜意识只会想到它要干掉的东西，所以free本身并不是一个完整的词。　　现在你明白“carefree”是怎么回事了吧？不担心，不关心，不操心，怎会不一身轻松呢？但是，绝对的carefree是不可能的，你不care别人，也没有人会care你。　　我曾经犯过把“free”当成“自由”来理解的错误。有一次吃盖浇饭碰到一个美国人，我跟他搭讪，说：“美国是一个free的国家。”他没听听懂，问：“什么free？”我一开始心想他连美国精神都不知道，但马上反应过来了，赶紧加了一句：“free去干很多事。”他这才明白。可见“free”单独出现时并不代表“自由”，“自由”只是“free”可以达到的许多结果之一。

为了最大限度的挖掘并行编程的性能考虑使用与锁无关的数据结构来编程
与锁无关的数据结构不是依赖于锁和互斥来确保线程安全。


Lockfree的重要操作就是CAS（Compare And Set）原子操作
原子操作就是多个线程访问同一个资源时，有且仅有唯一 一个线程对该资源进行操作
BOOST中的宏定义
BOOST_ATOMIC_DETAIL_X86_HAS_CMPXCHG8B
BOOST_ATOMIC_DETAIL_X86_HAS_CMPXCHG16B
cmpxchg：比较并交换，也就是
伪代码

bool CAS(int* p,int nOld,int nNew)
{
	bool bRet=false;
	if (*p == nOld)
	{
		*p=nNew;
		bRet=true;
	}


	return bRet;
}

CAS操作产生的ABA问题

两个线程P1和P2
P1读变量A
P1中断，
P2开始运行，读变量A，更改为B，又更改为A，
P2执行完
P1继续操作，A还是A，P1认为什么也没有发生


例如
栈 (Stack)是一种后进先出(last in first off，LIFO)的数据结构，只允许在栈顶操作。
假设有一个栈，有三个元素
A
B
C
线程P1，P2对该栈进行操作
P1 读栈顶A
P1 中断
P2 开始运行，A出栈，B出栈，A压栈（删除B）
P1 继续执行，A还是A
P1认为该栈的结构还是ABC，而此时栈里只有两个元素


就像小时候在家偷看电视，防止电视过热被父母发现，看一会儿就关上，等会儿再看。
当听见开门的声音时，以迅雷不及掩耳之势，换回开始的频道，调回音量图标的格数，关上电视，放回遥控器原来的位置并注意遥控器的朝向来表明没有看电视。


64位平台的处理方案
看boost::lockfree::detail::tagged_ptr代码

解决方式1
文件tagged_ptr_dcas.hpp
简化代码

template <class T>
class  tagged_ptr
{
public:
    typedef std::size_t tag_t;
protected:
    T * ptr;
    tag_t tag;
};

ABA问题解决方式是一个std::size_t类型的tag+指针，但不是所有平台都支持。


解决方式2
文件tagged_ptr_ptrcompression.hpp
简化代码

#if defined (__x86_64__) || defined (_M_X64)
class tagged_ptr
{
    typedef boost::uint64_t compressed_ptr_t;


public:
    typedef boost::uint16_t tag_t;


private:
    union cast_unit
    {
        compressed_ptr_t value;
        tag_t tag[4];
    };


    static const int tag_index = 3;
    static const compressed_ptr_t ptr_mask = 0xffffffffffffUL; //(1L<<48L)-1;
......
}


#else
#error unsupported platform
#endif

早期X86-64处理器不支持cmpxchg16b指令
在X86-64平台上，48位是地址，剩下的16位是ABA预防tag
代码
static const compressed_ptr_t ptr_mask = 0xffffffffffffUL; //(1L<<48L)-1;
0xffffffffffff二进制就是48个1。
tag就像一个版本号，通过tag，线程可以知道操作的数据已经发生了变化。