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无锁编程本质论
计算机学习微信公众号（jsj_xx）
无锁编程真的是不涉及锁么？无锁编程实现的本质是什么？需要操作系统或者编译器的支持么？本文尝试解答这些问题。
1 锁引发的问题
使用锁时要特别防止出现死锁或活锁。死锁的情况很简单，就是申请者在申请过程中由于顺序原因（多个锁没有按固定顺序申请）进入堵塞状态了，指定顺序即可规避。我们只看一个活锁的例子：
两个线程都在尽量避免死锁，但是却有可能（尴尬地）进入了活锁场景：两个线程都不会如期进入do_something_x()，也都不会退出while()，而是处于反复尝试过程里！可见，活锁的含义就是申请者都活着（没有堵塞住）但还是锁住了。
上面活锁的例子，其实和下面这个（不使用任何锁的）例子是一个意思：
不考虑cpu/compiler优化的情况下，如果两个线程都在运行这个while()，则有可能两个线程都退不出这个while()。因为两个线程都在修改X，有可能造成while（X==0）的X一直为0！
2 无锁实例
无锁编程的本质就是处理最关键的点（一般针对最精简的数据结构里面的某个字段），所谓“好钢用在刀刃上”：使用CAS原子操作方式将有锁操作压缩到最小范围（可见无锁的本质还是有锁的，原子操作也是锁性质的），CAS原子操作会封装成下面的形式：（以32bit机为例）
bool cas32( int * pVal, int oldVal, int newVal );
pVal表示要要考察值的地址，oldVal表示期望的旧值，newVal表示可以替换时的新值。此函数相当于：
int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
{
int old_reg_val = *reg;
if (old_reg_val == oldval)
*reg = newval;
return old_reg_val;
}
这样，无锁相当于把锁因素转化为原子CAS操作而压缩到了最精简的数据结构，以至于看上去貌似无锁！我们看一个queue的无锁化：（本实例来自1994年的《Implementing Lock-Free Queues》，代码中“^.”相当于“->”）
搞清这个无锁queue，需要理解几个要点：
-
Queue始终含有一个dummy冗余节点，包括初始时。在后续的删除过程中，这个dummy节点会随时切换（指向旧节点）。
-
对于EnQueue()，第一个CAS确保第一个取到tail的操作者顺利加入队列；第二个CAS让没有顺利加入时（会反复尝试）能够快速推进tail指针的更新；第三个CAS很显然，第一个顺利完成入队列操作自然需要完成tail指针的更新，虽然有可能已经被第二个CAS提前更新过了。
-
对于Dequeue()，唯一的CAS是确保第一个取到head值的操作者顺利删除队列第一个节点。
总之，在EnQueue和DeQueue已有支持多线程特性基础（入队列和出队列在队列中至少一个节点的情况下，是不需要加锁保护的）上，通过CAS的使用，EnQueue()和DeQueue()各自都分别能支持多线程了。这样，看上去很美：无锁！
另外，需要注意异常情况，比如上面的EnQueue()如果在执行过程中某个线程挂掉，是否影响其它线程？如果删掉里面第二个CAS操作，那么EnQueue()就会有问题：thread1成功完成第一个CAS，开始第三个CAS（因为删除了第二个CAS，其实此时应该是第二个了）时挂掉了，那么其它thread都会死循环：死等next字段为NUL的tail，但其实这个tail的next永远停留在thread1刚入队列的那个节点了。
以上可见，EnQueue()里第二个CAS很重要，但防止上述某个线程中途崩溃的方法还有其它途径，比如这个EnQueue()版本：
处理原则都一样，就是：即使CAS没能顺利成功也需要推进tail指针！
3 gcc中的无锁支持
bool __sync_bool_compare_and_swap(type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap(type *ptr, type oldval type newval, ...)
These builtins perform an atomic compare and swap. That is, ifthe current value of *ptr is oldval, thenwrite newval into *ptr.
The “bool” version returns true if the comparison is successfuland newval was written. The “val” version returns the contentsof *ptr before the operation.
我们仔细看下__sync_bool_compare_and_swap()：
我们聚焦cmpxchg：
cmpxchg %ecx, %ebx；如果EAX与EBX相等则ECX送EBX且ZF置1；否则EBX送EAX且ZF清0
%eax是旧值，%ecx就是新值，%ebx就是待考察的值。原来，这条指令就是无锁根源！几乎所有CPU都支持CAS原子操作，x86下对应的原子操作就是cmpxchg指令。
4 CAS的ABA问题
ABA问题是指由于进程切换导致状态变化的遗漏。比如进程看到的变量是“A”，但其实可能已经经过多次状态变化了：“A->B->A”。
解决办法一般是增加一个引用计数字段。这样，CAS同时检查引用计数和目标内容两个值是否都没有发生变化。但麻烦的是引用计数字段也有一个溢出问题。
5 内核中的无锁
查看内核kfifo机制可看到，内核采用另一种无锁方式：内存屏障。关于内存屏障话题，具体请参考我们之前的《理解内存屏障》五部曲。
gcc中也对内存屏障有封装：
__sync_synchronize (...)
This builtin issues a full memory barrier.
6 总结
可见，无锁的本质是使用CAS和内存屏障（这些都会涉及机器架构或编译器）而已，并不是真正的无锁。。。
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