無鎖編程以及CAS

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無鎖編程以及CAS無鎖編程 / lock-free / 非阻塞同步無鎖編程，即不使用鎖的情況下實現多線程之間的變數同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實現變數的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。實現非阻塞同步的方案稱為“無鎖編程演算法”（ Non-blocking algorithm）。lock-free是目前最常見的無鎖編程的實現層級（一共三種層級）。為什麼要 Non-blocking sync ？使用lock實現線程同步有很多缺點：* 產生競爭時，線程被阻塞等待，無法做到線程即時響應。* dead lock。* live lock。* 優先順序翻轉。* 使用不當，造成效能下降。 如果在不使用 lock 的情況下，實現變數同步，那就會避免很多問題。雖然目前來看，無鎖編程並不能替代 lock。實現層級非同步阻塞的實現可以分成三個層級：wait-free/lock-free/obstruction-free。 wait-free是最理想的模式，整個操作保證每個線程在有限步驟下完成。保證系統級吞吐（system-wide throughput）以及無線程饑餓。截止2011年，沒有多少具體的實現。即使實現了，也需要依賴於具體CPU。 lock-free允許個別線程饑餓，但保證系統級吞吐。確保至少有一個線程能夠繼續執行。wait-free的演算法必定也是lock-free的。 obstruction-free在任何時間點，一個線程被隔離為一個事務進行執行（其他線程suspended），並且在有限步驟內完成。在執行過程中，一旦探索資料被修改（採用時間戳記、版本號碼），則復原。也叫做樂觀鎖，即開放式並行存取控制(OOC)。事務的過程是：1讀取，並寫時間戳記；2準備寫入，版本校正；3校正通過則寫入，校正不通過，則復原。lock-free必定是obstruction-free的。CAS原語LL/SC, atom read-modify-write如果CPU提供了Load-Link/Store-Conditional（LL/SC）這對指令，則就可以輕鬆實現變數的CPU層級無鎖同步。LL [addr],dst：從記憶體[addr]處讀取值到dst。SC value,[addr]：對於當前線程，自從上次的LL動作後記憶體值沒有改變，就更新成新值。上述過程就是實現lock-free的 read-modify-write 的原子操作。 CAS （Compare-And-Swap）LL/SC這對CPU指令沒有實現，那麼就需要尋找其他演算法，比如CAS。CAS是一組原語指令，用來實現多線程下的變數同步。在 x86 下的指令CMPXCHG實現了CAS，前置LOCK既可以達到原子性操作。截止2013，大部分多核處理器均支援CAS。CAS原語有三個參數，記憶體位址，期望值，新值。如果記憶體位址的值==期望值，表示該值未修改，此時可以修改成新值。否則表示修改失敗，返回false，由使用者決定後續操作。

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

 

ABA 問題thread1意圖對val=1進行操作變成2，cas(*val,1,2)。thread1先讀取val=1；thread1被搶佔（preempted），讓thread2運行。thread2 修改val=3，又修改回1。thread1繼續執行，發現期望值與“原值”（其實被修改過了）相同，完成CAS操作。 使用CAS會造成ABA問題，特別是在使用指標操作一些並發資料結構時。 解決方案ABA?：添加額外的標記用來指示是否被修改。語言實現Java demoAtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);boolean r = atom.compareAndSet(1, 2); C# demoint i=1;Interlocked.Increment(ref i); Refshttp://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/SChttp://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap CAShttp://en.wikipedia.org/wiki/Optimistic_concurrency_control http://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem ABA 以及相關例子http://en.wikipedia.org/wiki/Preemption_(computing) 搶佔

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