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C++11如何實(shí)現(xiàn)無鎖隊(duì)列

 更新時(shí)間:2021年08月11日 15:35:17   作者:fzzjoy  
這篇文章主要介紹了C++11如何實(shí)現(xiàn)無鎖隊(duì)列,本文通過實(shí)例代碼給大家介紹的非常詳細(xì),對(duì)大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值,需要的朋友可以參考下

無鎖操作的本質(zhì)依賴的原子操作,C++11提供了atomic的原子操作支持

atomic

compare_exchange_weak / compare_exchange_strong
當(dāng)前值與期望值相等時(shí),修改當(dāng)前值為設(shè)定值,返回true
當(dāng)前值與期望值不等時(shí),將期望值修改為當(dāng)前值,返回false

memory_order枚舉值

在這里插入圖片描述

template<typename T>
class lock_free_stack
{
private:
    struct node
    {
        T data;
        node* next;
        node(T const& data_):
        data(data_)
        {
        }
    };

    std::atomic<node*> head;

public:
    void push(T const& data)
    {
        node* const new_node=new node(data);
        new_node->next=head.load();  

        /*
        ** 當(dāng)前值.compare_exchange_weak(期望值, 設(shè)置值)
        ** 單線程的情況:
        ** 第一次執(zhí)行while循環(huán):
        ** 此時(shí)當(dāng)前值與期望值相等,修改當(dāng)前值為設(shè)定值 head = new_node,返回true
        ** 多線程的情況:
        ** 第一次執(zhí)行循環(huán)體的時(shí)候:
        ** compare_exchange_weak如果失敗, 返回false, 證明有其他線程更新了棧頂head,
        ** 當(dāng)前值與期望值不等時(shí),將期望值修改為當(dāng)前值, 即new_node->next等于新的棧頂head,
        ** 被其他線程更新的新棧頂值會(huì)被更新到new_node->next中,
        ** 因此循環(huán)可以直接再次嘗試壓棧而無需由程序員更新new_node->next。
        ** 然后第二次執(zhí)行循環(huán)體:
        ** 此時(shí) head == new_node->next, 所以 head = new_node.
        ** 如果這是仍有其他線程干擾,則仍為循環(huán)更新new_node->next
        */
        while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next,new_node));
    }
};

CAS原子操作

  • CAS即Compare and Swap,是所有CPU指令都支持CAS的原子操作(X86中CMPXCHG匯編指令),用于實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)各種無鎖(lock free)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
  • CAS用于檢查一個(gè)內(nèi)存位置是否包含預(yù)期值,如果包含,則把新值復(fù)賦值到內(nèi)存位置。成功返回true,失敗返回false。

示例代碼如下:

bool compare_and_swap ( int *memory_location, int expected_value, int new_value)
{
    if (*memory_location == expected_value)
    {
        *memory_location = new_value;
        return true;
    }
    return false;
}

ABA問題

所謂ABA(見維基百科的ABA詞條),問題基本是這個(gè)樣子:

  • 進(jìn)程P1在共享變量中讀到值為A
  • P1被搶占了,進(jìn)程P2執(zhí)行
  • P2把共享變量里的值從A改成了B,再改回到A,此時(shí)被P1搶占。
  • P1回來看到共享變量里的值沒有被改變,于是繼續(xù)執(zhí)行。

雖然P1以為變量值沒有改變,繼續(xù)執(zhí)行了,但是這個(gè)會(huì)引發(fā)一些潛在的問題。ABA問題最容易發(fā)生在lock free 的算法中的,CAS首當(dāng)其沖,因?yàn)镃AS判斷的是指針的地址。如果這個(gè)地址被重用了呢,問題就很大了。(地址被重用是很經(jīng)常發(fā)生的,一個(gè)內(nèi)存分配后釋放了,再分配,很有可能還是原來的地址)

eg:
好比你拿著一個(gè)裝滿錢的手提箱在飛機(jī)場(chǎng),此時(shí)過來了一個(gè)火辣性感的美女,然后她很暖昧地挑逗著你,并趁你不注意的時(shí)候,把用一個(gè)一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調(diào)了個(gè)包,然后就離開了,你看到你的手提箱還在那,于是就提著手提箱去趕飛機(jī)去了。

這就是ABA的問題。

Fetch-And-Add (FAA)

一般用來對(duì)變量做+1的原子操作

Test-And-Set (TAS)

寫值到某個(gè)內(nèi)存位置并傳回其舊值

參考文章

C++11:原子交換函數(shù)compare_exchange_weak和compare_exchange_strong

到此這篇關(guān)于C++11如何實(shí)現(xiàn)無鎖隊(duì)列的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++11無鎖隊(duì)列內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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