無鎖隊列的實現

http://coolshell.cn/articles/8239.html

無鎖隊列的鏈表實現

EnQueue(x) //進隊列{    //準備新加入的結點資料    q = new record();    q->value = x;    q->next = NULL;     do {        p = tail; //取鏈表尾指標的快照    } while( CAS(p->next, NULL, q) != TRUE); //如果沒有把結點鏈在尾指標上，再試     CAS(tail, p, q); //置尾結點}

我們可以看到，程式中的那個 do- while 的 Re-Try-Loop。就是說，很有可能我在準備在隊列尾加入結點時，別的線程已經加成功了，於是tail指標就變了，於是我的CAS返回了false，於是程式再試，直到試成功為止。這個很像我們的搶電話熱線的不停重播的情況。

你會看到，為什麼我們的“置尾結點”的操作（第12行）不判斷是否成功，因為：

1. 如果有一個線程T1，它的while中的CAS如果成功的話，那麼其它所有的 隨後線程的CAS都會失敗，然後就會再迴圈，
2. 此時，如果T1 線程還沒有更新tail指標，其它的線程繼續失敗，因為tail->next不是NULL了。
3. 直到T1線程更新完tail指標，於是其它的線程中的某個線程就可以得到新的tail指標，繼續往下走了。

這裡有一個潛在的問題——如果T1線程在用CAS更新tail指標的之前，線程停掉或是掛掉了，那麼其它線程就進入死迴圈了。下面是改良版的EnQueue()

EnQueue(x) //進隊列改良版{    q = new record();    q->value = x;    q->next = NULL;     p = tail;    oldp = p    do {        while (p->next != NULL)            p = p->next;    } while( CAS(p.next, NULL, q) != TRUE); //如果沒有把結點鏈在尾上，再試     CAS(tail, oldp, q); //置尾結點}

我們讓每個線程，自己fetch 指標 p 到鏈表尾。但是這樣的fetch會很影響效能。而通實際情況看下來，99.9%的情況不會有線程停轉的情況，所以，更好的做法是，你可以接合上述的這兩個版本，如果retry的次數超了一個值的話（比如說3次），那麼，就自己fetch指標。

好了，我們解決了EnQueue，我們再來看看DeQueue的代碼：（很簡單，我就不解釋了）

DeQueue() //出隊列{    do{        p = head;        if (p->next == NULL){            return ERR_EMPTY_QUEUE;        }    while( CAS(head, p, p->next) != TRUE );    return p->next->value;}

我們可以看到，DeQueue的代碼操作的是 head->next，而不是head本身。這樣考慮是因為一個邊界條件，我們需要一個dummy的頭指標來解決鏈表中如果只有一個元素，head和tail都指向同一個結點的問題，這樣EnQueue和DeQueue要互斥了。

CAS的ABA問題

所謂ABA（見維基百科的ABA詞條），問題基本是這個樣子：

1. 進程P1在共用變數中讀到值為A
2. P1被搶佔了，進程P2執行
3. P2把共用變數裡的值從A改成了B，再改回到A，此時被P1搶佔。
4. P1回來看到共用變數裡的值沒有被改變，於是繼續執行。

雖然P1以為變數值沒有改變，繼續執行了，但是這個會引發一些潛在的問題。ABA問題最容易發生在lock free 的演算法中的，CAS首當其衝，因為CAS判斷的是指標的地址。如果這個地址被重用了呢，問題就很大了。（地址被重用是很經常發生的，一個記憶體配置後釋放了，再分配，很有可能還是原來的地址）

比如上述的DeQueue()函數，因為我們要讓head和tail分開，所以我們引入了一個dummy指標給head，當我們做CAS的之前，如果head的那塊記憶體被回收並被重用了，而重用的記憶體又被EnQueue()進來了，這會有很大的問題。（記憶體管理中重用記憶體基本上是一種很常見的行為）

這個例子你可能沒有看懂，維基百科上給了一個活生生的例子——

你拿著一個裝滿錢的手提箱在飛機場，此時過來了一個火辣性感的美女，然後她很暖昧地挑逗著你，並趁你不注意的時候，把用一個一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調了個包，然後就離開了，你看到你的手提箱還在那，於是就提著手提箱去趕飛機去了。

這就是ABA的問題。

解決ABA的問題

維基百科上給了一個解——使用double-CAS（雙保險的CAS），例如，在32位系統上，我們要檢查64位的內容

1）一次用CAS檢查雙倍長度的值，前半部是指標，後半部分是一個計數器。

2）只有這兩個都一樣，才算通過檢查，要吧賦新的值。並把計數器累加1。

這樣一來，ABA發生時，雖然值一樣，但是計數器就不一樣（但是在32位的系統上，這個計數器會溢出回來又從1開始的，這還是會有ABA的問題）

當然，我們這個隊列的問題就是不想讓那個記憶體重用，這樣明確的業務問題比較好解決，論文《Implementing Lock-Free Queues》給出一這麼一個方法——使用結點記憶體引用計數refcnt！

SafeRead(q){    loop:        p = q->next;        if (p == NULL){            return p;        }         Fetch&Add(p->refcnt, 1);         if (p == q->next){            return p;        }else{            Release(p);        }    goto loop;}

其中的 Fetch&Add和Release分是是加引用計數和減引用計數，都是原子操作，這樣就可以阻止記憶體被回收了。

用數組實現無鎖隊列

本實現來自論文《Implementing Lock-Free Queues》

使用數組來實現隊列是很常見的方法，因為沒有記憶體的分部和釋放，一切都會變得簡單，實現的思路如下：

1）數組隊列應該是一個ring buffer形式的數組（環形數組）

2）數組的元素應該有三個可能的值：HEAD，TAIL，EMPTY（當然，還有實際的資料）

3）數組一開始全部初始化成EMPTY，有兩個相鄰的元素要初始化成HEAD和TAIL，這代表空隊列。

4）EnQueue操作。假設資料x要入隊列，定位TAIL的位置，使用double-CAS方法把(TAIL, EMPTY) 更新成 (x, TAIL)。需要注意，如果找不到(TAIL, EMPTY)，則說明隊列滿了。

5）DeQueue操作。定位HEAD的位置，把(HEAD, x)更新成(EMPTY, HEAD)，並把x返回。同樣需要注意，如果x是TAIL，則說明隊列為空白。

演算法的一個關鍵是——如何定位HEAD或TAIL？

1）我們可以聲明兩個計數器，一個用來計數EnQueue的次數，一個用來計數DeQueue的次數。

2）這兩個計算機使用使用Fetch&ADD來進行原子累加，在EnQueue或DeQueue完成的時候累加就好了。

3）累加後求個模什麼的就可以知道TAIL和HEAD的位置了。

如所示：