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-blocking Synchronization）。

实现非堵塞同步的方案称为“无锁编程算法”（ Non-blocking algorithm）。

lock-free是眼下最常见的无锁编程的实现级别（一共三种级别）。

为什么要 Non-blocking sync ？

使用lock实现线程同步有非常多缺点：

* 产生竞争时，线程被堵塞等待，无法做到线程实时响应。

* dead lock。

* live lock。

* 优先级翻转。

* 使用不当，造成性能下降。

假设在不使用 lock 的情况下，实现变量同步，那就会避免非常多问题。尽管眼下来看，无锁编程并不能替代 lock。

实现级别

非同步堵塞的实现能够分成三个级别：wait-free/lock-free/obstruction-free。

wait-free

是最理想的模式，整个操作保证每一个线程在有限步骤下完毕。

保证系统级吞吐（system-wide throughput）以及无线程饥饿。

截止2011年，没有多少详细的实现。即使实现了，也须要依赖于详细CPU。

lock-free

同意个别线程饥饿，但保证系统级吞吐。

确保至少有一个线程可以继续运行。

wait-free的算法必然也是lock-free的。

obstruction-free

在不论什么时间点，一个线程被隔离为一个事务进行运行（其它线程suspended），而且在有限步骤内完毕。在运行过程中，一旦发现数据被改动（採用时间戳、版本），则回滚。

也叫做乐观锁，即乐观并发控制(OOC)。事务的过程是：1读取，并写时间戳；2准备写入，版本号校验；3校验通过则写入，校验不通过，则回滚。

lock-free必然是obstruction-free的。

CAS原语

LL/SC, atom read-modify-write

假设CPU提供了Load-Link/Store-Conditional（LL/SC）这对指令，则就能够轻松实现变量的CPU级别无锁同步。

LL [addr],dst：从内存[addr]处读取值到dst。

SC value,[addr]：对于当前线程，自从上次的LL动作后内存值没有改变，就更新成新值。

上述过程就是实现lock-free的 read-modify-write 的原子操作。

CAS （Compare-And-Swap）

LL/SC这对CPU指令没有实现，那么就须要寻找其它算法，比方CAS。

CAS是一组原语指令，用来实现多线程下的变量同步。

在 x86 下的指令CMPXCHG实现了CAS，前置LOCK既能够达到原子性操作。截止2013，大部分多核处理器均支持CAS。

CAS原语有三个參数，内存地址，期望值，新值。假设内存地址的值==期望值，表示该值未改动，此时能够改动成新值。否则表示改动失败，返回false，由用户决定兴许操作。

Bool CAS(T* addr, T expected, T newValue)
 {
      if( *addr == expected )
     {
          *addr =  newValue;
           return true;
     }
     else
           return false;
 }

ABA 问题

thread1意图对val=1进行操作变成2，cas(*val,1,2)。

thread1先读取val=1；thread1被抢占（preempted），让thread2执行。

thread2 改动val=3，又改动回1。

thread1继续运行，发现期望值与“原值”（事实上被改动过了）同样，完毕CAS操作。

使用CAS会造成ABA问题，特别是在使用指针操作一些并发数据结构时。

解决方式

ABA?：加入额外的标记用来指示是否被改动。

语言实现

Java demo

AtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);

boolean r = atom.compareAndSet(1, 2);

C# demo

int i=1;

Interlocked.Increment(ref i);

Refs

http://en.wikipedia.org/wiki/Non-blocking_algorithm

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-lockfree/

http://en.wikipedia.org/wiki/Load-Link/Store-Conditional ：
LL/SC

http://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap CAS

http://en.wikipedia.org/wiki/Optimistic_concurrency_control

http://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem ABA 以及相关样例

http://en.wikipedia.org/wiki/Preemption_(computing) 抢占