CAS简介和无锁队列的实现

Q:CAS的实现

A:gcc提供了两个函数

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
 
//type 的类型有限制 只能是 1,2,4,8字节的整形 或者是指针类型
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，这个函数比第二个好在，返回bool值可以知道有没有更新成功.
第二个函数在返回操作之前的值。

第二个函数可以用c语言描述成：

type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
 
{
 
       type cur = *ptr;
 
       if (cur == oldval)
 
       {
 
              *ptr = newval;
 
}
 
return cur;// 返回操作之前的值
 
}

官方文档里有一段：GCC will allow any integral scalar or pointer type that is 1, 2, 4 or 8 bytes in length.

意思是GCC允许任何长度为1, 2, 4或8字节的整型和指针

不然就会有下面这种错误

Q:简单介绍一下无锁队列

A:

之所以有无锁队列，是因为在多线程环境下有以下情景,

对同一链队列进行入队操作时 一号线程正在将 新的队列节点A 挂载到 队尾节点的next上 可是还没来的及更新队尾节点 但同一时刻二号线程也在进行入队操作 将 新的队列节点B 也挂载到了 没更新的队尾节点的next上 那么一号线程挂载的节点A就丢失了

为了解决多线程环境下的这类问题

我们第一时间肯定想到了加上互斥锁 控制同一时刻只能有一个线程可以对队列进行写操作
但是加锁的操作太消耗系统资源了 很繁重
因为对临界区的操作只有一步 就是对队列的尾节点进行更新
只要让这一步进行的是原子操作就可以了
所以使用到了CAS操作 也就是实现无锁队列

在博客的最后有无锁队列的源代码

Q: 操作系统级别是如何实现的

A: X86中有一个CMPXCHG的汇编指令

Q: CAS指令有什么缺点

A:

1.存在ABA问题因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

2.循环时间长开销大自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

3. 只能保证一个共享变量的原子操作对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。

 与CAS相关的一些原子操作

gcc从4.1.2提供了__sync_*系列的built-in函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作。

其声明如下：

原子操作的后置加加type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type
value, ...)

原子操作的前置加加type __sync_add_and_fetch (type
*ptr, type value, ...)
其他类比

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, ...)

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, ...)
这两组函数的区别在于第一组返回更新前的值，第二组返回更新后的值。

无锁队列源代码

为了有一个对比

写了一份thread_queue.c是用锁对临界区进行控制访问的,也就是有锁队列

另一份是lock_free_queue.c是用CAS确保对临界区的操作是原子操作,也就是无锁队列

依赖关系
lock_free_queue.c -> queue.h -> queue.c
thread_queue.c -> queue.h -> queue.c

gcc lock_free_queue.c queue.c -lpthread -o lock_free_queue
gcc thread_queue.c queue.c -lpthread -o thread_queue

 #ifndef QUEUE_H_
 #define QUEUE_H_
 
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 
 /*
 普通的
 链式队列
 */
 typedef struct QNode
 {
     int data;
     struct QNode *next;
 }QNode, *QueuePtr;
 
 typedef struct LinkQueue
 {
     QueuePtr front;
     QueuePtr rear;
 }LinkQueue;
 
 void init_Queue(LinkQueue *q);//初始化队列
 void push_Queue(LinkQueue *q, int e);//队尾入队
 int pop_Queue(LinkQueue *q, int *e);//队头出队
 int is_Empty(LinkQueue *q);
 void show(LinkQueue *q);
 
 #endif /* QUEUE_H_ */

queue.h

 #include "queue.h"
 
 /*
 初始化
 为队列构建一个头结点
 让front和rear都指向这个头结点
 */
 void init_Queue(LinkQueue *q)
 {
     q->front = q->rear = (QNode *)malloc(sizeof(QNode));
     q->front->next = NULL;
 }
 
 /*
 普通的入队操作
 */
 void push_Queue(LinkQueue *q, int e)
 {
     QueuePtr newNode = (QueuePtr)malloc(sizeof(QNode));
     newNode->data = e;
     newNode->next = NULL;
     q->rear->next = newNode;
     q->rear = newNode;
 }
 
 /*
 cas的入队操作
 和普通的入队操作一样
 新建节点后
 要将新节点挂在队尾时需要进行cas操作
 */
 void cas_push(LinkQueue *q, int e)
 {
     QueuePtr newNode = (QueuePtr)malloc(sizeof(QNode));
     newNode->data = e;
     newNode->next = NULL;
 
     QueuePtr tmp;
     do
     {
         tmp = q->rear;
     }while (!__sync_bool_compare_and_swap((&(tmp->next)), NULL, (newNode));
 
     q->rear = newNode;
 }
 
 /*
 以前的判空是 q->front == q->rear
 但是这样子会增加出队的操作 当出的是最后一个元素时, q->rear需要指向 q->front
 我把这一步省了 暂时没有发现有什么副作用
 所以我改成了 q->front->next == NULL
 */
 int is_Empty(LinkQueue *q)
 {
     if (q->front->next == NULL)
     {
         return();
     }
     return();
 }
 
 /*
 普通的出队操作
 如果队空 返回0 也就是false
 e作为接受元素的缓冲
 */
 int pop_Queue(LinkQueue *q, int *e)
 {
     if (is_Empty(q))
     {
         return();
     }
     QueuePtr tmp;
     tmp = q->front->next;
     q->front->next = tmp->next;
 
     *e = tmp->data;
     free(tmp);
     return();
 }
 
 /*
 cas的出队操作
 每一次都要判断这个队列是不是空
 然后执行cas的出队操作：
 （1）tmp = q->front 把旧的队头存起来
 （2）执行原子操作：看 旧的队头 是否等于 现在的队头 tmp == *(&(q->front->next)) 如果相等执行 *(&(q->front->next)) = tmp->next 返回true
     否则，即执行这一步原子操作的时候，别的线程修改了队列，导致队尾指向改变了，返回false ,while(!false)回到第一步重新执行
 */
 int cas_pop(LinkQueue *q, int *e)
 {
     QueuePtr tmp;
     do {
         if (is_Empty(q))
         {
             return();
         }
         tmp = q->front;
     } while (!__sync_bool_compare_and_swap(&(q->front->next), tmp, tmp->next->next);
 
     *e = tmp->data;
     free(tmp);
     return();
 }
 
 /*
 遍历队列 打印里面的元素 为了求证队列里面的元素
 */
 void show(LinkQueue *q)
 {
     printf("void show(LinkQueue *q)\n");
     QueuePtr tmp = q->front->next;
     while (tmp)
     {
         printf("%d ", tmp->data);
         tmp = tmp->next;
     }
     printf("\n");
 }

queue.c

#include "queue.h"
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
 
#define THREAD_NUMBER 4//开启的线程数，电脑是4核，所以用4
 
void *thread_push(void *arg);
void *thread_pop(void *arg);
 
/*
初始化空队列
 
为了模拟线程对资源的抢占
开启4个线程 每个线程push 20个元素 0~19
等待4个线程结束
打印队列元素 验证push
开启四个线程 每个线程都对队列进行 pop操作
*/
int main()
{
    LinkQueue que;
    init_Queue(&que);
 
    int i;
    /*
    创造四个新线程 每个线程都执行 thread_push(&que)
    */
    pthread_t threadArr[THREAD_NUMBER];
    for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
    {
        pthread_create(&threadArr[i], NULL, thread_push, (void *)&que);
    }
 
    /*
    等待四个线程都执行完
    要不然主线程一下子就跑完了 程序就结束了
    还有就是 为了show函数 可以验证元素是不是都push进去了
    */
    for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
    {
        pthread_join(threadArr[i], NULL);
    }
 
    show(&que);
 
    /*
    创造四个新线程 每个线程都执行 thread_pop(&que)
    */
    for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
    {
        pthread_create(&threadArr[i], NULL, thread_pop, (void *)&que);
    }
 
    for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
    {
        pthread_join(threadArr[i], NULL);
    }
 
    exit(EXIT_SUCCESS);
}
 
void *thread_push(void *arg)
{
    printf("start push\n");
    LinkQueue * quePtr = (LinkQueue *)arg;
    int i;
    for (i = ; i < ; ++i)
    {
        cas_push(quePtr, i);
    }
    printf("finish push\n");
    pthread_exit(NULL);
}
 
void *thread_pop(void *arg)
{
    printf("start pop\n");
    LinkQueue * quePtr = (LinkQueue *)arg;
    int tmp;
    int res;
    while ()
    {
        res = cas_pop(quePtr, &tmp);
        if (!res)
        {
            break;
        }
        printf("%d ", tmp);
    }
    printf("finish pop\n");
    pthread_exit(NULL);
}

lock_free_queue.c

 #include "queue.h"
 #include <pthread.h>
 #include <unistd.h>
 #include <semaphore.h>
 #include <assert.h>
 
 #define THREAD_NUMBER 4
 
 sem_t queue_sem;//同步锁
 
 void *thread_push(void *arg);
 void *thread_pop(void *arg);
 
 int main()
 {
     LinkQueue que;
     init_Queue(&que);
 
     /*初始化二进制信号量 初始值为1 代表每一次只有1个线程可以访问
     本来更加应该用互斥量 比较贴合情景 但是不太熟 就用了信号量
     */
     int res = sem_init(&queue_sem, , );
     assert(res != -);
 
     int i;
     pthread_t threadArr[THREAD_NUMBER];
     for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
     {
         pthread_create(&threadArr[i], NULL, thread_push, (void *)&que);
     }
 
     for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
     {
         pthread_join(threadArr[i], NULL);
     }
 
     show(&que);
 
     for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
     {
         pthread_create(&threadArr[i], NULL, thread_pop, (void *)&que);
     }
 
     for (i = ; i < THREAD_NUMBER; ++i)
     {
         pthread_join(threadArr[i], NULL);
     }
 
     sem_destroy(&queue_sem);
 
     exit(EXIT_SUCCESS);
 }
 
 void *thread_push(void *arg)
 {
     printf("start push\n");
     LinkQueue * quePtr = (LinkQueue *)arg;
     int i;
     for (i = ; i < ; ++i)
     {
         sem_wait(&queue_sem);
         push_Queue(quePtr, i);
         sem_post(&queue_sem);
     }
     printf("finish push\n");
     pthread_exit(NULL);
 }
 
 void *thread_pop(void *arg)
 {
     printf("start pop\n");
     LinkQueue * quePtr = (LinkQueue *)arg;
     int tmp;
     int res;
     while ()
     {
         sem_wait(&queue_sem);
         res = pop_Queue(quePtr, &tmp);
         sem_post(&queue_sem);
         if (!res)
         {
             break;
         }
         printf("%d ", tmp);
     }
     printf("finish pop\n");
     pthread_exit(NULL);
 }

thread_queue.c

博客，参考：http://blog.csdn.net/syzcch/article/details/8075830

libcds库，参考：http://blog.jobbole.com/90810/

CAS缺点，参考：https://www.cnblogs.com/zhuawang/p/4196904.html

CAS函数，参考: http://blog.csdn.net/youfuchen/article/details/23179799

gcc Atomic Builtins官方：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.1/gcc/Atomic-Builtins.html