C#中使用CAS實現無鎖演算法

黑洞視界發表於2023-04-21

CAS 的基本概念

CAS（Compare-and-Swap）是一種多執行緒併發程式設計中常用的原子操作，用於實現多執行緒間的同步和互斥訪問。它操作通常包含三個引數：一個記憶體地址（通常是一個共享變數的地址）、期望的舊值和新值。

CompareAndSwap(記憶體地址，期望的舊值，新值)

CAS 操作會比較記憶體地址處的值與期望的舊值是否相等，如果相等，則將新值寫入該記憶體地址；如果不相等，則不進行任何操作。這個比較和交換的操作是一個原子操作，不會被其他執行緒中斷。

CAS 通常是透過硬體層面的CPU指令實現的，其原子性是由硬體保證的。具體的實現方式根據環境會有所不同。

CAS 操作通常會有一個返回值，用於表示操作是否成功。返回結果可能是true或false，也可能是記憶體地址處的舊值。

相比於傳統的鎖機制，CAS 有一些優勢：

原子性：CAS 操作是原子的，不需要額外的鎖來保證多執行緒環境下的資料一致性，避免了鎖帶來的效能開銷和競爭條件。
無阻塞：CAS 操作是無阻塞的，不會因為資源被鎖定而導致執行緒的阻塞和上下文切換，提高了系統的併發性和可伸縮性。
適用性：CAS 操作可以應用於廣泛的資料結構和演算法，如自旋鎖、計數器、佇列等，使得它在實際應用中具有較大的靈活性和適用性。

C# 中如何使用 CAS

在 C# 中，我們可以使用 Interlocked 類來實現 CAS 操作。

Interlocked 類提供了一組 CompareExchange 的過載方法，用於實現不同型別的資料的 CAS 操作。

public static int CompareExchange(ref int location1, int value, int comparand);
public static long CompareExchange(ref long location1, long value, long comparand);
// ... 省略其他過載方法
public static object CompareExchange(ref object location1, object value, object comparand);
public static T CompareExchange<T>(ref T location1, T value, T comparand) where T : class;

CompareExchange 方法將 location1 記憶體地址處的值與 comparand 比較，如果相等，則將 value 寫入 location1 記憶體地址處，否則不進行任何操作。
該方法返回 location1 記憶體地址處的值。

透過判斷方法返回值與 comparand 是否相等，我們就可以知道 CompareExchange 方法是否執行成功。

演算法示例

在使用 CAS 實現無鎖演算法時，通常我們不光是為了比較和更新一個資料，還需要在更新成功後進行下一步的操作。結合 while(true) 迴圈，我們可以不斷地嘗試更新資料，直到更新成功為止。
虛擬碼如下：

while (true)
{
    // 讀取資料
    oldValue = ...;
    // 計算新值
    newValue = ...;
    // CAS 更新資料
    result = CompareExchange(ref location, newValue, oldValue);
    // 判斷 CAS 是否成功
    if (result == oldValue)
    {
        // CAS 成功，執行後續操作
        break;
    }
}

在複雜的無鎖演算法中，因為每一步操作都是獨立的，連續的操作並非原子，所以我們不光要藉助 CAS，每一步操作前都應判斷是否有其他執行緒已經修改了資料。

示例1：計數器

下面是一個簡單的計數器類，它使用 CAS 實現了一個執行緒安全的自增操作。

public class Counter
{
    private int _value;

    public int Increment()
    {
        while (true)
        {
            int oldValue = _value;
            int newValue = oldValue + 1;
            int result = Interlocked.CompareExchange(ref _value, newValue, oldValue);
            if (result == oldValue)
            {
                return newValue;
            }
        }
    }
}

CLR 底層原始碼中，我們也會經常看到這樣的程式碼，比如 ThreadPool 增加執行緒時的計數器。
https://github.com/dotnet/runtime/blob/release/6.0/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Threading/ThreadPoolWorkQueue.cs#L446

internal void EnsureThreadRequested()
{
    //
    // If we have not yet requested #procs threads, then request a new thread.
    //
    // CoreCLR: Note that there is a separate count in the VM which has already been incremented
    // by the VM by the time we reach this point.
    //
    int count = _separated.numOutstandingThreadRequests;
    while (count < Environment.ProcessorCount)
    {
        int prev = Interlocked.CompareExchange(ref _separated.numOutstandingThreadRequests, count + 1, count);
        if (prev == count)
        {
            ThreadPool.RequestWorkerThread();
            break;
        }
        count = prev;
    }
}

示例2：佇列

下面是一個簡單的佇列類，它使用 CAS 實現了一個執行緒安全的入隊和出隊操作。相較於上面的計數器，這裡的操作更加複雜，我們每一步都需要考慮是否有其他執行緒已經修改了資料。

這樣的演算法有點像薛定諤的貓，你不知道它是死是活，只有當你試圖去觀察它的時候，它才可能會變成死或者活。

public class ConcurrentQueue<T>
{
    // _head 和 _tail 是兩個偽節點，_head._next 指向佇列的第一個節點，_tail 指向佇列的最後一個節點。
    // _head 和 _tail 會被多個執行緒修改和訪問，所以要用 volatile 修飾。
    private volatile Node _head;
    private volatile Node _tail;
    
    public ConcurrentQueue()
    {
        _head = new Node(default);
        // _tail 指向 _head 時，佇列為空。
        _tail = _head;
    }

    public void Enqueue(T item)
    {
        var node = new Node(item);
        while (true)
        {
            Node tail = _tail;
            Node next = tail._next;
            // 判斷給 next 賦值的這段時間，是否有其他執行緒修改過 _tail
            if (tail == _tail)
            {
                // 如果 next 為 null，則說明從給 tail 賦值到給 next 賦值這段時間，沒有其他執行緒修改過 tail._next，
                if (next == null)
                {
                    // 如果 tail._next 為 null，則說明從給 tail 賦值到這裡，沒有其他執行緒修改過 tail._next,
                    // tail 依舊是佇列的最後一個節點，我們就可以直接將 node 賦值給 tail._next。                                
                    if (Interlocked.CompareExchange(ref tail._next, node, null) == null)
                    {
                        // 如果_tail == tail，則說明從上一步 CAS 操作到這裡，沒有其他執行緒修改過 _tail，也就是沒有其他執行緒執行過 Enqueue 操作。
                        // 那麼當前執行緒 Enqueue 的 node 就是佇列的最後一個節點，我們就可以直接將 node 賦值給 _tail。
                        Interlocked.CompareExchange(ref _tail, node, tail);
                        break;
                    }
                }
                // 如果 next 不為 null，則說明從給 tail 賦值到給 next 賦值這段時間，有其他執行緒修改過 tail._next，
                else
                {
                    // 如果沒有其他執行緒修改過 _tail，那麼 next 就是佇列的最後一個節點，我們就可以直接將 next 賦值給 _tail。
                    Interlocked.CompareExchange(ref _tail, next, tail);
                }
            }
        }
    }

    public bool TryDequeue(out T item)
    {
        while (true)
        {
            Node head = _head;
            Node tail = _tail;
            Node next = head._next;
            // 判斷 _head 是否被修改過
            // 如果沒有被修改過，說明從給 head 賦值到給 next 賦值這段時間，沒有其他執行緒執行過 Dequeue 操作。          
            if (head == _head)
            {
                // 如果 head == tail，說明佇列為空
                if (head == tail)
                {
                    // 雖然上面已經判斷過佇列是否為空，但是在這裡再判斷一次
                    // 是為了防止在給 tail 賦值到給 next 賦值這段時間，有其他執行緒執行過 Enqueue 操作。
                    if (next == null)
                    {
                        item = default;
                        return false;
                    }

                    // 如果 next 不為 null，則說明從給 tail 賦值到給 next 賦值這段時間，有其他執行緒修改過 tail._next，也就是有其他執行緒執行過 Enqueue 操作。
                    // 那麼 next 就可能是佇列的最後一個節點，我們嘗試將 next 賦值給 _tail。
                    Interlocked.CompareExchange(ref _tail, next, tail);
                }
                // 如果 head != tail，說明佇列不為空
                else
                {
                    item = next._item;
                    if (Interlocked.CompareExchange(ref _head, next, head) == head)
                    {
                        // 如果 _head 沒有被修改過
                        // 說明從給 head 賦值到這裡，沒有其他執行緒執行過 Dequeue 操作，上面的 item 就是佇列的第一個節點的值。
                        // 我們就可以直接返回。
                        break;
                    }
                    // 如果 _head 被修改過
                    // 說明從給 head 賦值到這裡，有其他執行緒執行過 Dequeue 操作，上面的 item 就不是佇列的第一個節點的值。
                    // 我們就需要重新執行 Dequeue 操作。
                }
            }
        }

        return true;
    }

    private class Node
    {
        public readonly T _item;
        public Node _next;

        public Node(T item)
        {
            _item = item;
        }
    }
}

我們可以透過以下程式碼來進行測試

using System.Collections.Concurrent;

var queue = new ConcurrentQueue<int>();
var results = new ConcurrentBag<int>();
int dequeueRetryCount = 0;

var enqueueTask = Task.Run(() =>
{
    // 確保 Enqueue 前 dequeueTask 已經開始執行
    Thread.Sleep(10);
    Console.WriteLine("Enqueue start");
    Parallel.For(0, 100000, i => queue.Enqueue(i));
    Console.WriteLine("Enqueue done");
});

var dequeueTask = Task.Run(() =>
{
    Thread.Sleep(10);
    Console.WriteLine("Dequeue start");
    Parallel.For(0, 100000, i =>
    {
        while (true)
        {
            if (queue.TryDequeue(out int result))
            {
                results.Add(result);
                break;
            }

            Interlocked.Increment(ref dequeueRetryCount);
        }
    });
    Console.WriteLine("Dequeue done");
});

await Task.WhenAll(enqueueTask, dequeueTask);
Console.WriteLine(
    $"Enqueue and dequeue done, total data count: {results.Count}, dequeue retry count: {dequeueRetryCount}");

var hashSet = results.ToHashSet();
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
    if (!hashSet.Contains(i))
    {
        Console.WriteLine("Error, missing " + i);
        break;
    }
}

Console.WriteLine("Done");

輸出結果：

Dequeue start
Enqueue start
Enqueue done
Dequeue done
Enqueue and dequeue done, total data count: 100000, dequeue retry count: 10586
Done

上述的 retry count 為 797，說明在 100000 次的 Dequeue 操作中，有 10586 次的 Dequeue 操作需要重試，那是因為在 Dequeue 操作中，可能暫時沒有資料可供 Dequeue，需要等待其他執行緒執行 Enqueue 操作。

當然這個 retry count 是不穩定的，因為在多執行緒環境下，每次執行的結果都可能不一樣。

總結

CAS 操作是一種樂觀鎖，它假設沒有其他執行緒修改過資料，如果沒有修改過，那麼就直接修改資料，如果修改過，那麼就重新獲取資料，再次嘗試修改。

在藉助 CAS 實現較為複雜的資料結構時，我們不光要依靠 CAS 操作，還需要注意每次操作的資料是否被其他執行緒修改過，考慮各個可能的分支，以及在不同的分支中，如何處理資料。

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