1、概要

本文是无锁同步系列文章的第一篇,主要探讨C++11中的Atomic。

我们知道在C++11中引入了mutex和方便优雅的lock_guard。但是有时候我们想要的是性能更高的无锁实现,下面我们来讨论C++11中新增的原子操作类Atomic,我们可以利用它巧妙地实现无锁同步。

2、传统的线程同步

 #include <thread>
#include <mutex> #include <iostream> using namespace std; mutex g_mutex;
int g_count = ; int main()
{
thread thr1([]() {
for (int i = ;i < ;i++) {
lock_guard<mutex> lock(g_mutex); //①
g_count += ;
}
}); thread thr2([]() {
for (int i = ;i < ;i++) {
lock_guard<mutex> lock(g_mutex); //②
g_count += ;
}
}); thr1.join();
thr2.join(); cout << g_count << endl; }

在上述例子中,如果把①②的锁注释后,我们可能无法得到正确的结果。原因是C++并没有给我们保证+=操作具有原子性(其本质应该是读-加-写3个操作)。

3、Atomic

C++11给我们带来的Atomic一系列原子操作类,它们提供的方法能保证具有原子性。这些方法是不可再分的,获取这些变量的值时,永远获得修改前的值或修改后的值,不会获得修改过程中的中间数值。

这些类都禁用了拷贝构造函数,原因是原子读和原子写是2个独立原子操作,无法保证2个独立的操作加在一起仍然保证原子性。

这些类中,最简单的是atomic_flag(其实和atomic<bool>相似),它只有test_and_set()和clear()方法。其中,test_and_set会检查变量的值是否为false,如果为false则把值改为true。

除了atomic_flag外,其他类型可以通过atomic<T>获得。atomic<T>提供了常见且容易理解的方法:

  1. store
  2. load
  3. exchange
  4. compare_exchange_weak
  5. compare_exchange_strong

store是原子写操作,而load则是对应的原子读操作。

exchange允许2个数值进行交换,并保证整个过程是原子的。

而compare_exchange_weak和compare_exchange_strong则是著名的CAS(compare and set)。参数会要求在这里传入期待的数值和新的数值。它们对比变量的值和期待的值是否一致,如果是,则替换为用户指定的一个新的数值。如果不是,则将变量的值和期待的值交换。

weak版本的CAS允许偶然出乎意料的返回(比如在字段值和期待值一样的时候却返回了false),不过在一些循环算法中,这是可以接受的。通常它比起strong有更高的性能。

3、例子

下面举个简单的例子,使用CAS操作实现一个不带锁的并发栈。这个例子从《C++并发编程》摘抄而来。

Push

在非并发条件下,要实现一个栈的Push操作,我们可能有如下操作:

    1. 新建一个节点
    2. 将该节点的next指针指向现有栈顶
    3. 更新栈顶

但是在并发条件下,上述无保护的操作明显可能出现问题。下面举一个例子:

  1. 原栈顶为A。(此时栈状态: A->P->Q->...,我们约定从左到右第一个值为栈顶,P->Q代表p.next = Q)
  2. 线程1准备将B压栈。线程1执行完步骤2后被强占。(新建节点B,并使 B.next = A,即B->A)
  3. 线程2得到cpu时间片并完成将C压栈的操作,即完成步骤1、2、3。此时栈状态(此时栈状态: C->A->...)
  4. 这时线程1重新获得cpu时间片,执行步骤3。导致栈状态变为(此时栈状态: B->A->...)

结果线程2的操作丢失,这显然不是我们想要的结果。

那么我们如何解决这个问题呢?只要保证步骤3更新栈顶时候,栈顶是我们在步骤2中获得顶栈顶即可。因为如果有其它线程进行操作,栈顶必然改变。

我们可以利用CAS轻松解决这个问题:如果栈顶是我们步骤2中获取顶栈顶,则执行步骤3。否则,自旋(即重新执行步骤2)。

因此,不带锁的压栈Push操作比较简单。

 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();
while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next,new_node));
}
};

我们可以注意到一个非常巧妙的设计。在push方法里,atomic_compare_exchange_weak如果失败,证明有其他线程更新了栈顶,而这个时候被其他线程更新的新栈顶值会被更新到new_node->next中,因此循环可以直接再次尝试压栈而无需由程序员更新new_node->next。

Pop

2017.3.14:

发现原文Pop部分有错误,所以暂时删除

无锁同步-C++11之Atomic和CAS的更多相关文章

  1. 无锁同步-JAVA之Volatile、Atomic和CAS

    1.概要 本文是无锁同步系列文章的第二篇,主要探讨JAVA中的原子操作,以及如何进行无锁同步. 关于JAVA中的原子操作,我们很容易想到的是Volatile变量.java.util.concurren ...

  2. java 多线程12 : 无锁 实现CAS原子性操作----原子类

    由于java 多线程11:volatile关键字该文讲道可以使用不带锁的情况也就是无锁使变量变成可见,这里就理解下如何在无锁的情况对线程变量进行CAS原子性及可见性操作 我们知道,在并发的环境下,要实 ...

  3. 二、多线程基础-乐观锁_悲观锁_重入锁_读写锁_CAS无锁机制_自旋锁

    1.10乐观锁_悲观锁_重入锁_读写锁_CAS无锁机制_自旋锁1)乐观锁:就像它的名字一样,对于并发间操作产生的线程安全问题持乐观状态,乐观锁认为竞争不总是会发生,因此它不需要持有锁,将 比较-设置 ...

  4. CAS无锁机制原理

    原子类 java.util.concurrent.atomic包:原子类的小工具包,支持在单个变量上解除锁的线程安全编程 原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量,能够支持原子的和有条件的读 ...

  5. CAS原子操作实现无锁及性能分析

    CAS原子操作实现无锁及性能分析 Author:Echo Chen(陈斌) Email:chenb19870707@gmail.com Blog:Blog.csdn.net/chen19870707 ...

  6. 无锁编程以及CAS

    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 Sy ...

  7. 4.锁--无锁编程以及CAS

    无锁编程以及CAS 无锁编程 / lock-free / 非堵塞同步 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堵塞的情况下实现变量的同步,所以也叫非堵塞同步(Non-b ...

  8. 【多线程】无锁编程以及CAS

    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 Sy ...

  9. Java CAS同步机制 原理详解(为什么并发环境下的COUNT自增操作不安全): Atomic原子类底层用的不是传统意义的锁机制,而是无锁化的CAS机制,通过CAS机制保证多线程修改一个数值的安全性。

    精彩理解:  https://www.jianshu.com/p/21be831e851e ;  https://blog.csdn.net/heyutao007/article/details/19 ...

随机推荐

  1. 转:Loadrunner——Simulate a new user on each iteration设置

    最近在与大家的讨论中发现了LoadRunner的很多问题,出于解决问题的出发点,我也就相关自己不理解的问题在Google中搜索了一番,并通过一些实例也去实际操作了一遍,发现很多问题确实并不是那么难解决 ...

  2. P2P应用中的NAT穿透问题

    多年前曾经写过一个关于NAT钻洞的实验.现在发现那个做法在我现在的路由器上已经不管用了.经过一番搜索发现时过境迁,世界变化很快,新路由器已经是UPnP了.在这里重新理一下几种方法. 第一种,也是不太靠 ...

  3. jQuery 1.9使用$.support替代$.browser的使用方法

    jQuery 从 1.9 版开始,移除了 $.browser 和 $.browser.version , 取而代之的是 $.support jQuery 从 1.9 版开始,移除了 $.browser ...

  4. 提升html5的性能体验系列之五webview启动速度优化及事件顺序解析]

    webview加载时有3个事件.触发顺序为loading.titleUpdate.loaded.webview开始载入页面时触发loading,载入过程中如果title已经解析并赋予新值,则触发tit ...

  5. java.lang.ClassCastException: com.sun.proxy.$Proxy8 cannot be cast to com.bjsxt.service.UserServiceImpl01_AOP.

    对于Spring AOP 采用两种代理方法,一种是常规JDK,一种是CGLIB,我的UserDao了一个接口IUserDao,当代理对象实现了至少一个接口时,默认使用 JDK动态创建代理对象,当代理对 ...

  6. mysql建表: 主键,外键约束

    CREATE DATABASE db_studentinfo; USE db_studentinfo ; DROP TABLE IF EXISTS t_student ; CREATE TABLE t ...

  7. 5V与3.3V器件电平转换

    源:5V与3.3V器件电平转换 当你使用3.3V的单片机的时候,电平转换就在所难免了,经常会遇到3.3转5V或者5V转3.3V的情况,这里介绍一个简单的电路,他可以实现两个电平的相互转换(注意是相互哦 ...

  8. 关于tomcat 成功运行之后内存泄露

    在window-preferences  里 搜索 tomcat-jdk 加上以下内容即可 -Xms256m -Xmx512m -XX:MaxNewSize=256m -XX:MaxPermSize= ...

  9. ViewController 视图控制器

    [父视图控制器 addChildViewController:子视图控制器]; 在此,图控制器A添加了另一个图控制器B,那么A充当父视图控制器,B充当子视图控制器.父视图控制器充当了视图控制器容器的角 ...

  10. 2.1Android界面View及ViewGroup(转)

    2.1Android界面View及ViewGroup 2.1.0 View及ViewGroup类关系Android View和ViewGroup从组成架构上看,似乎ViewGroup在View之上,V ...