為了實現一個快速無鎖的 logging 模組， 這幾天花了不少時間去了解怎樣實現一些無鎖的操作及與之相對應的資料結構。對多執行緒場景下的無鎖操作的研究一直是個熱點，理想中的無鎖操作，它應能天然地避開有鎖操作的一些缺陷，比如：
1）減少執行緒切換，能夠相對快速高效地讀寫（不使用 mutex, semaphore）
2）避免死鎖的可能，任何操作都應能在有限的等待時間內完成，
這些優點是很有吸引力的，它們從根本上繞開了有鎖操作可能引起的令人頭疼的同步死鎖問題，那麼它會是我們的救世主嗎？ 要了解無鎖的資料結構，我們不妨先來回顧一下常規的資料結構是怎麼寫。
1 // 一般的棧。 2 3 typedef ELEM int; 4 #define MAX (2048) 5 6 static ELEM Stack[MAX]; 7 static int top = 0; 8 9 bool Push(const ELEM& val) 10 { 11 if (top >= MAX) return false; 12 13 Stack[top] = val; 14 ++top; 15 return true; 16 } 17 18 19 bool Pop(ELEM& val) 20 { 21 if (top == 0) return false; 22 23 --top; 24 val = Stack[top]; 25 26 return true; 27 }
這樣的棧在單執行緒場合下是常見的，也很簡潔明瞭，但它卻不適用於多執行緒的場合，試想一下，如果兩個執行緒，執行緒 a, 執行緒 b, 同一時間對同一個棧進行 Push 操作，參考上面的程式碼，假設此時 top = 0, 如果執行緒 a 在執行到第13 行時停了下來，切換到執行緒 b 進行 Push，執行緒 b 執行完 13 行，但沒有執行 14 行的時候，這時 Stack[top] 中已經插入了執行緒 b 要插入的值，但 top 還沒更新，如果這時執行緒 b 不幸又被切換了出去，換到執行緒 a 繼續執行，那麼執行緒 a 又會在同樣一個位置 top = 0 的地方插入，從而破壞了執行緒b的操作！
我們可以觀察到，上面的程式碼在多執行緒下之所以不安全，是因為 Stack 被多個執行緒同時修改，但各個執行緒又沒有對關鍵的變數在訪問順序上作保護。對此，我們可以引入一些同步的機制來修改它，使得它能在多執行緒的場合裡是操作安全的。
1 //帶鎖的棧。 2 3 typedef ELEM int; 4 #define MAX (2048) 5 6 static ELEM Stack[MAX]; 7 static int top = 0; 8 9 static Mutex mutex; 10 11 bool Push(ELEM val) 12 { 13 if (top >= MAX) return false; 14 15 Lock(&mutex); 16 17 Stack[top] = val; 18 ++top; 19 20 Unlock(&mutex); 21 22 return true; 23 } 24 25 26 bool Pop(ELEM& val) 27 { 28 if (top == 0) return false; 29 30 Lock(&mutex); 31 32 --top; 33 val = Stack[top]; 34 35 Unlock(&mutex); 36 return true; 37 }
上面的程式碼就是我們常說的有鎖操作了，mutex 保證了各個執行緒對公共變數的訪問是安全的，各個執行緒在同時對 Stack 進行操作時，需要先搶佔 mutex，搶到就可以對 stack 進行操作，沒搶到就先等著。這裡付出了些代價，但保證了操作的安全可靠性。那麼這些保護是有必要的嗎？再觀察一下前面的程式碼，多個執行緒有可能，有需要同時修改的變數就一個而已: top. 只要我們參保證 top 在多執行緒的環境裡能夠安全地被修改，那對整個 stack 的修改也都是安全的。事情看起來，好像比較簡單。要保證對 top 變數的原子操作，我們需要 cpu 提供一些特殊的支援，來保證我們在對某些記憶體進行修改時，不會被執行緒所中斷，它要麼就完成，要麼就不完成，而不會在完成到一半時，被別的執行緒中斷。在 intel 平臺上，從 80486 開始，CMPXCHG 彙編指令可以幫助我們完全這件事情，這就是我們通常所說 CAS 操作的基礎。
下面我們嘗試用 cas 來寫一個無鎖的 stack.
1 // 無鎖的棧。 2 3 typedef ELEM int; 4 #define MAX (2048) 5 6 static ELEM Stack[MAX]; 7 static int top = 0; 8 9 bool Push(ELEM val) 10 { 11 int old_top; 12 13 do 14 { 15 old_top = top; 16 if (old_top >= MAX) return false; 17 18 if (cas(&top, old_top, old_top + 1)) 19 break; 20 21 }while(1); 22 23 Stack[old_top] = val; 24 25 return true; 26 } 27 28 29 bool Pop(ELEM& val) 30 { 31 int old_top; 32 do 33 { 34 old_top = top; 35 36 if (old_top == 0) return false; 37 38 val = Stack[old_top - 1]; 39 40 if (cas(&top, old_top, old_top - 1)) 41 break; 42 43 } while(1); 44 45 46 return true; 47 }
上面的實現乍看起來很美好， 它會是我們想要的東西嗎？