无锁同步-C++11之Atomic和CAS

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