关于 lockfree 算法[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

lockfree的本质是乐观锁。也就是说，它假设多数情况下，别人不会改变。一个通用的lockfree算法可描述如下：
 
lockfree_modify(DataT* data)
{

    for (;;)
    {

        Save old state of data to a local variable;
        do modify;
        lock {

            if (current state == old state)
                commit modify & return;
        }
    }
}
 
可以看出，lockfree也是锁，只是将锁限制在一个最小的范围内（通常是一个原子操作）。由于仍然有锁，lockfree在多核下并不会比普通的锁高明多少，它也不能随cpu个数增加而获得呈线性scale的性能提升。
 
不过，lockfree有个最大的好处，就是不可能有死锁。因为对上面算法分析你可以知道，在某个线程modify失败，总意味着有另一个人成功了，整个程序总在一步步前进，而不是出现相互等待而产生饥饿的状况。
 
我们以stack为例，展示下lockfree的stack是怎样的：
 
class stack
{

public:
 struct Node
 {

  Node* prev;
 };
 
private:
 Node* m_head;
 
public:
 stack()
  : m_head(NULL)
 {

 }
 
 void push(Node* val)
 {

  for (;;)
  {

   Node* head = m_head;
   val->prev = head;
   if (InterlockedCompareExchangePointer((PVOID*)&m_head, val, head) == head)
    return;
  }
 }
 
 Node* pop()
 {

   for (;;)
   {
     Node* head = m_head;
     if (head == NULL)
       return NULL;
     if (InterlockedCompareExchangePointer((PVOID*)&m_head, head->prev, head) == head)
         return head;
   }
 }
};
 
嗯，看起来挺不错，代码还算优雅。。。不过遗憾的是，严谨的说其实上面的lockfree算法是有问题的。问题在哪里？在pop算法上。我们看lock范围内的语义：
 
     if (InterlockedCompareExchangePointer((PVOID*)&m_head, head->prev, head) == head)
         return head;
 
这句话用伪代码描述是：
 
     lock {

         if (m_head == head) {

              m_head = head->prev;
              return head;
         }
     }
 
问题在于，m_head指针的值没有发生变化，和整个stack没有发生变化，这两者等价吗？
 
不等价。完全可以发生一种情况就是，另一个线程执行了这样一段代码：
 
    v1 = pop();  // v1是m_head
    v2 = pop();
    push(v1);
 
此时，m_head没有变化，但是m_head->prev不再是v2，而是v2->prev了。
 
那么怎么办？在说解决方案前，我们先再聊下上例中的stack::push。既然stack::pop有问题，那么stack::push呢？我们说，push算法的并没有什么问题。尽管同样的，m_head指针的值没有发生变化，并不意味着整个stack没有发生变化。但是对于push来说，它只关心m_head，而不关心其他东西，所以stack是否发生变化对其并无影响。
 
那么，应该如何解决pop算法遇到的问题？一个比较通用的方法，就是版本号。lockfree算法中，有一个术语叫tagged_ptr，其实本质上就是一个打了版本号的pointer：
 
    struct tagged_ptr
    {

        void* p;
        size_t tag;
    };
 
每次要对p进行修改，都++tag。这样，判断是不是modify，只需要判断tag是否变化即可。
 
lockfree小结：

• 优点：不发生死锁。性能通常比lock好一些。
• 缺点：仍然是锁。所以并不能随cpu个数增加而获得呈线性scale的性能提升。
• 缺点：lockfree算法的实现通常比较复杂，不利于推广到任意算法的lockfree改造。通常只有少量库代码使用lockfree。