lock free（无锁并发）是什么

一、非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）

1. 无锁编程 / lock-free / 非阻塞同步

无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。

实现非阻塞同步的方案称为“无锁编程算法”（ Non-blocking algorithm）。

lock-free是目前最常见的无锁编程的实现级别（一共三种级别）:

• wait-free
• lock-free
• obstruction-free

2. 为什么要 Non-blocking sync ？

使用lock实现线程同步有很多缺点：

* 产生竞争时，线程被阻塞等待，无法做到线程实时响应。

* dead lock。

* live lock。

* 优先级翻转。

* 使用不当，造成性能下降。

3. wait-free

是最理想的模式，整个操作保证每个线程在有限步骤下完成。

保证系统级吞吐（system-wide throughput）以及无线程饥饿。

截止2011年，没有多少具体的实现。即使实现了，也需要依赖于具体CPU。

4. lock-free

允许个别线程饥饿，但保证系统级吞吐。

确保至少有一个线程能够继续执行。

wait-free的算法必定也是lock-free的。

5. obstruction-free

在任何时间点，一个线程被隔离为一个事务进行执行（其他线程suspended），并且在有限步骤内完成。

在执行过程中，一旦发现数据被修改（采用时间戳、版本号），则回滚。

也叫做乐观锁，即乐观并发控制(OOC)。

事务的过程是：1读取，并写时间戳；2准备写入，版本校验；3校验通过则写入，校验不通过，则回滚。

二、CAS

CAS( compare and swap) 原子操作，用来实现多线程下的变量同步。

保证了如果需要更新的地址没有被其他进程(线程)改动过，那么它可以安全的写入。

而这也是我们对于某个数据或者数据结构加锁要保护的内容，保证读写的一致性，不出现dirty data。

CAS原语有三个参数：

• 内存地址，
• 期望值，
• 新值。

算法逻辑：

• 如果内存地址的值==期望值，表示该值未修改，此时可以修改成新值。
• 否则表示修改失败，返回false，由用户决定后续操作。

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval) {
  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval)
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;
}

可在循环中不断执行CAS，如果共享变量没有改变，那么swap，在当前环境中写入，否则继续do-while的Retry-Loop。

三、ABA问题

ABA问题最容易发生在lock free算法中的，地址被重用的情况。

无锁相当于“锁”的粒度变小了，主要是“锁”HEAD和TAIL这两个关键资源。而不是整个数据结构。

thread1意图对val=1进行操作变成2，cas(*val,1,2)。

thread1先读取val=1；thread1被抢占（preempted），让thread2运行。

thread2 修改val=3，又修改回1。

thread1继续执行，发现期望值与“原值”（其实被修改过了）相同，完成CAS操作。

使用CAS会造成ABA问题，特别是在使用指针操作一些并发数据结构时。

解决方案

ABAʹ：添加额外的标记用来指示是否被修改。

# Java demo
AtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);
boolean r = atom.compareAndSet(1, 2);
# C# demo
int i=1;
Interlocked.Increment(ref i);