基于CAS实现无锁结构
杨乾成
一、题目要求
基于CAS（Compare and Swap）实现一个无锁结构，可考虑queue，stack，hashmap，freelist等。
- 能够支持多个线程同时访问该结构
- 不能有任何锁操作，且操作是线程安全的
- 对上述的内存单元进行管理，至少malloc与free一次。
二、数据结构
看到题目有一说一，不知道怎么下手，那就google一下先。稍微了解了一下CAS，原准备使用STL模板的队列，后来发现实现题目要求似乎得再Queue的插入和删除函数里面具体实现，于是决定自己实现吧（省事失败）。
先简要介绍一下CAS算法，我先po一下wiki百科上的代码介绍：
bool compare_and_swap (int *accum, int *dest, int newval) { if ( *accum == *dest ) { *dest = newval; return true; } return false; }
这段代码的思想大概就是看看*dest里面的值和*accum里面的值是不是一样，如果一样，则将新数据写入。个人觉得用数据库的“脏数据”概念来形容很合适：即不允许往存有脏数据的缓冲区写入数值。在数据库中，常用的方法是两段锁，但是这里不让加锁。突然想起来大二上学期修JAVA里面讲到的同步信号量，即每当对数据结构进行操作时，就对=改变信号量的值，比如只有信号量值为0的时候才允许更改变量，修改时使用者将信号量置一，但是仔细一想，这似乎也是锁的思想。
遇事不决，再看看，害，现成的CAS都在这里，我直接用不就完事了。回归正题，CAS思想总结如下：线程操作钱保存当前版本号，也就是记录当前数据的状态的标志；当完成操作时，比较自己持有的版本号与当前版本号是否相符，相符则允许写入，否则获取的新的版本号再来一轮。就好像是大家都听说身边有个好看的姑娘处于“单身版本”，各自回去准备准备，第一个到的获得了优先权，后来的只能记住另一个“单身”的姑娘，再回家准备展开竞争，直到自己完成任务。
三、代码实现
#include<stdio.h> #include<pthread.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include<stdlib.h> #define THREAD_NUMBER 4 //队节点 typedef struct QNode { int data; struct QNode *next; }QNode, *QueuePtr; //链队结构 typedef struct LinkQueue { QueuePtr front; QueuePtr rear; }LinkQueue; int is_Empty(LinkQueue *q); void *pushThread(void *arg); void *popThread(void *arg); void init_Queue(LinkQueue *q);void cas_push(LinkQueue *q, int e); void cas_push(LinkQueue *q, int e); int cas_pop(LinkQueue *q, int *e); void show(LinkQueue *q); int main() { LinkQueue que; init_Queue(&que); int i; //创建四个进程 pthread_t threadArr[THREAD_NUMBER]; //线程ID数组 for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; ++i) { pthread_create(&threadArr[i], NULL, pushThread, (void *)&que); //设置线程入口 } //等待线程执行结束 for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; ++i) { pthread_join(threadArr[i], NULL); } show(&que); //创建四个进线程然后执行出队操作 for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; ++i) { pthread_create(&threadArr[i], NULL, popThread, (void *)&que); } for (i = 0; i < THREAD_NUMBER; ++i) { pthread_join(threadArr[i], NULL); } exit(EXIT_SUCCESS); } void *pushThread(void *arg) { printf("进程%ld开始创建队列：\n",pthread_self()); LinkQueue *quePtr =(LinkQueue *)arg; int i; for(i= 0;i<5;++i) { cas_push(quePtr, i); } printf("\n"); printf("完成队列创建操作！\n"); pthread_exit(NULL); //结束当前进程 } void *popThread(void *arg) { printf("%ld开始出队操作：\n",pthread_self()); LinkQueue *quePtr=(LinkQueue *)arg; int temp; int res; while(1) { res = cas_pop(quePtr,&temp); if(!res) { break; } printf("PID:%ld\tpop%d\n",pthread_self(),temp); } } //初始化队列 void init_Queue(LinkQueue *q) { q->front=q->rear=(QNode *)malloc(sizeof(QNode)); q->front->next=NULL; } //判断队列是否为空 int is_Empty(LinkQueue *q) { if(q->front->next ==NULL) { return 1; } return 0; } void cas_push(LinkQueue *q, int e) { QueuePtr newNode = (QueuePtr)malloc(sizeof(QNode)); newNode->data = e; newNode->next = NULL; QueuePtr tmp; //不断尝试将新节点进队 do { // sleep(1); tmp = q->rear; }while (!__sync_bool_compare_and_swap((long *)(&(tmp->next)), NULL, (long)newNode)); //判断此时队尾是否被改变 //就是在这里控制对队列的原子化操作 sleep(1); q->rear = newNode; } int cas_pop(LinkQueue *q, int *e) { QueuePtr tmp; do { if (is_Empty(q)) { return(0); //队列已空，结束 } tmp = q->front->next; } while (!__sync_bool_compare_and_swap((long *)(&(q->front->next)), (long)tmp, (long)tmp->next)); sleep(1); //通过休眠一秒，模拟线程操作时间，防止过快操作导致结果不明显 *e = tmp->data; free(tmp); return 1; } void show(LinkQueue *q) { printf("Current queue:\n"); QueuePtr tmp = q->front->next; while (tmp) { printf("%d ", tmp->data); tmp = tmp->next; } printf("\n"); }
上面就是这次的代码实现。
四、运行结果
使用指令：
gcc CAS_Structure.c -o result.out -lpthread
将源码进行编译，此处要注意后面一定要加上-lpthread，不然会提示“pthread.h”头文件报错问题。
我创建了四个进程，竞争往队尾插入数据。
然后竞争删除完队列的数据，直到队列为空。
从截图可以看出来，四个进程竞争着抢占处理器，直到完成创建和删除节点的任务。这里面要注意的是，因为实际处理就是插入节点，刚开始做的时候我没有插入sleep语句，所以最后的结果看起来像是顺序完成，所以要模拟实验，一定要注意加上sleep语句模拟进程处理的时间，防止第二个进程还没创建完，第一个进程早已完成了所有事务。
