[C++知识库]C++11 - 无锁队列

无锁操作的本质依赖的原子操作，C++11提供了atomic的原子操作支持

• atomic
• compare_exchange_weak / compare_exchange_strong
  当前值与期望值相等时，修改当前值为设定值，返回true
  当前值与期望值不等时，将期望值修改为当前值，返回false
• memory_order枚举值
  

template<typename T>
class lock_free_stack
{
private:
    struct node
    {
        T data;
        node* next;
        node(T const& data_):
        data(data_)
        {
        }
    };

    std::atomic<node*> head;

public:
    void push(T const& data)
    {
        node* const new_node=new node(data);
        new_node->next=head.load();  

        /*
        ** 当前值.compare_exchange_weak(期望值, 设置值)
        ** 单线程的情况：
        ** 第一次执行while循环：
        ** 此时当前值与期望值相等，修改当前值为设定值 head = new_node，返回true
        ** 多线程的情况：
        ** 第一次执行循环体的时候：
        ** compare_exchange_weak如果失败, 返回false, 证明有其他线程更新了栈顶head，
        ** 当前值与期望值不等时，将期望值修改为当前值, 即new_node->next等于新的栈顶head,
        ** 被其他线程更新的新栈顶值会被更新到new_node->next中，
        ** 因此循环可以直接再次尝试压栈而无需由程序员更新new_node->next。
        ** 然后第二次执行循环体：
        ** 此时 head == new_node->next, 所以 head = new_node.
        ** 如果这是仍有其他线程干扰，则仍为循环更新new_node->next
        */
        while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next,new_node));
    }
};

CAS原子操作

• CAS即Compare and Swap，是所有CPU指令都支持CAS的原子操作（X86中CMPXCHG汇编指令），用于实现实现各种无锁（lock free）数据结构。
• CAS用于检查一个内存位置是否包含预期值，如果包含，则把新值复赋值到内存位置。成功返回true，失败返回false。示例代码如下：

  bool compare_and_swap ( int *memory_location, int expected_value, int new_value)
  {
      if (*memory_location == expected_value)
      {
          *memory_location = new_value;
          return true;
      }
      return false;
  }
  

ABA问题

所谓ABA（见维基百科的ABA词条），问题基本是这个样子：

1. 进程P1在共享变量中读到值为A
2. P1被抢占了，进程P2执行
3. P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占。
4. P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。

虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free 的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了。（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）

eg:
好比你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

这就是ABA的问题。

Fetch-And-Add （FAA）

一般用来对变量做+1的原子操作

Test-And-Set (TAS)

写值到某个内存位置并传回其旧值

参考文章

C++11：原子交换函数compare_exchange_weak和compare_exchange_strong