阅读笔记（五）多线程无锁的C++实现《Lock-Free Data Structures》

雨点打透心脏的1/2处 2023-06-29 02:18 9阅读 0赞

### 1. 前言 ###

本文介绍使用C++实现多线程中无锁算法的实现和优化过程。

### 2. 无锁&CAS ###

在多线程程序中，加锁是一种必要的手段，由于保证数据操作的正确性（原子性）。但是这也在很多时候带来了性能的极度下降，因为所有共享数据的操作均需要加锁，有些时候会严重影响性能，比如当读键盘或者一些较慢的I/O操作时，锁会延误了其他线程的操作。更糟糕的是，不当操作可能会带来死锁。

首先介绍最经典的无锁操作：compare-and-swap (CAS) 操作。CAS比较内存地址是否满足要求，若成功则写入value，这整个过程是原子性的。

template <class T>
    bool CAS(T* addr, T expected, T value) { 
       if (*addr == expected) { 
          *addr = value;
          return true;
       }
       return false;
    }

### 3. WRRM Map ###

WRRM (Write Rarely Read Many) 是一种常见的情况，即大多数读、很少写的操作。我们可以通过std::map或者std::unordered\_map来实现（[区别见这里][Link 1]），单同时asso\_vector也是一个比较好的选择。在这里我们用`Map<key, value>`代替，具体实现可以根据需求修改，通常我们的做法如下所示：

// A locking implementation of WRRMMap
    template <class K, class V>
    class WRRMMap { 
       Mutex mtx_;
       Map<K, V> map_;
    public:
       V Lookup(const K& k) { 
          Lock lock(mtx_);
          return map_[k];
       }
       void Update(const K& k,
             const V& v) { 
          Lock lock(mtx_);
          map_[k] = v;
       }
    };

这里我们尝试去掉互斥锁结构，改用CAS判断是否可以修改。这里代码改动遵循如下原则

1.  读操作本身不需要加锁
2.  Updates可以使用CAS进行判断，当CAS失败则一直尝试
3.  由于CAS可以交换的字节数有限，WRRMMap存储的是指针Map而不是整个Map变量

// 1st lock-free implementation of WRRMMap
    // Works only if you have GC
    template <class K, class V>
    class WRRMMap { 
       Map<K, V>* pMap_;
    public:
       V Lookup (const K& k) { 
          //Look, ma, no lock
          return (*pMap_) [k];
       }
       void Update(const K& k,
             const V& v) { 
          Map<K, V>* pNew = 0;
          do { 
             Map<K, V>* pOld = pMap_;
             delete pNew;
             pNew = new Map<K, V>(*pOld);
             (*pNew) [k] = v;
          } while (!CAS(&pMap_, pOld, pNew));
          // DON'T delete pMap_;
       }
    };

但是这种设计存在一些问题：

1.  当多线程并行发调用Update的时候，这里会由于循环造成可能非常久的时延，在这方面需要继续改进。
2.  旧数据pMap\_没有删除

首先对数据进行包裹和修改。其中Data第一项记录数据，第二项为引用次数。

template <class K, class V>
    class WRRMMap { 
       typedef std::pair<Map<K, V>*,
          unsigned> Data;
       Data data_;
       ...
    };

修改Lookup函数

V Lookup(const K& k) { 
       Data old;
       Data fresh;
       do { 
          old = data_;
          fresh = old;
          ++fresh.second;
       } while (CAS(&data_, old, fresh));
       V temp = (*fresh.first)[k];
       do { 
          old = data_;
          fresh = old;
          --fresh.second;
       } while (CAS(&data_, old, fresh));
       return temp;
    }

修改Update函数

void Update(const K& k,
          const V& v) { 
       Data old;
       Data fresh;
       old.second = 1;
       fresh.first = 0;
       fresh.second = 1;
       Map<K, V>* last = 0;
       do { 
          old.first = data_.first;
          if (last != old.first) { 
             delete fresh.first;
             fresh.first = new Map<K, V>(old.first);
             fresh.first->insert(make_pair(k, v));
             last = old.first;
          }
       } while (!CAS(&data_, old, fresh));
       delete old.first; // whew
    }

### 3. 参考文献 ###

\[1\] Alexandrescu, Andrei. Modern C++ Design, Addison-Wesley Longman, 2001.

\[2\] Alexandrescu, Andrei. “Generic:yasli::vector Is On the Move,” C/C++ Users Journal, June 2004.

\[3\] Butenhof, D.R. Programming with POSIX Threads, Addison-Wesley, 1997.

\[4\] Detlefs, David L., Paul A. Martin, Mark Moir, and Guy L. Steele, Jr. “Lock-free Reference Counting,” Proceedings of the Twentieth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing, pages 190-199, ACM Press, 2001. ISBN 1-58113-383-9.

\[5\] Gamma, Erich, Richard Helm, Ralph E. Johnson, and John Vlissides. Design Patterns: Elements of Resusable Object-Oriented Software, Addison-Wesley, 1995.

\[6\] Meyers, Scott and Andrei Alexandrescu. “The Perils of Double-Checked Locking.” Dr. Dobb’s Journal, July 2004.

\[7\] Maged, Michael M. “Scalable Lock-free Dynamic Memory Allocation,” Proceedings of the ACM SIGPLAN 2004 Conference on Programming Language Design and Implementation, pages 35-46. ACM Press, 2004. ISBN 1-58113-807-5.

\[8\] Robison, Arch. “Memory Consistency & .NET,” Dr. Dobb’s Journal, April 2003.

\[9\] Maged, Michael M. “CAS-Based Lock-Free Algorithm for Shared Deques,” The Ninth Euro-Par Conference on Parallel Processing, LNCS volume 2790, pages 651-660, August 2003.

[Link 1]: https://blog.csdn.net/u013354486/article/details/103327973