lock free

队列是最方便的线程间传递信息的方式。线程间传递信息,难免会引入锁,锁又会带来效率的大幅降低。我们从一个简单的队列开始,看看lock-free的思维如何解决问题。

加锁的队列

api回顾

回顾一下互斥锁和条件变量的用法:

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// 锁:是互斥的。一个线程加锁后其他线程如果试图加锁,会陷入等待。
pthread_mutex_t mutex; //锁
// 给互斥体变量加锁,其他线程执行这里时会卡住
pthread_mutex_lock(&mutex); 
 // 给互斥体变量解除锁
phtread_mutex_unlock(&mutex);


// 条件变量:用条件控制线程是否继续。条件变量不是卡别人的,使用条件卡自己的,等待别人告诉自己可以继续。
pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// wait用来等待条件就绪。如果陷入wait,只能通过别的线程被唤醒。一般情况下,wait会配合while和需要wait的条件使用,避免假死和资源竞争等问题
pthread_cond_wait(&qready, &mutex); 
// signal可以通知一个线程条件已经就绪
pthread_cond_signal(&qready)
// broadcast会通知所有线程就绪。这种通知是顺序进行的,因为只有一个线程可以拿到wait时指定的锁,然后执行完自己的操作,最后unlock,把锁让给下一个线程
pthread_cond_broadcast(&qready)

我们可以根据这个用法写一个模板:

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void thread1(){
    pthread_mutex_lock(&lock);
    while(不满足条件,比如队列为空、文件未就绪)
        pthread_cond_wait(&cond, &lock);
    // ... 得到条件了,做一些事情,比如操作文件、推出队列的东西
    pthread_mutex_unlock(&lock);
}

加锁队列的实现

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// 是否为空
template <typename T>
bool BlockingQueue<T>::IsEmpty(){
    bool rv;
    g_mutex_lock(m_mutex);
    rv = m_theQueue.empty();
    g_mutex_unlock(m_mutex);
    return rv;
}
// 推出元素
template <typename T>
bool BlockingQueue<T>::Push(const T &a_elem){
    g_mutex_lock(m_mutex);
    // 如果队列已满,则等待,直到队列空出位置
    while (m_theQueue.size() >= m_maximumSize){
        g_cond_wait(m_cond, m_mutex);
    }

    bool queueEmpty = m_theQueue.empty();
    m_theQueue.push(a_elem);
    // 如果队列push之前为空,通知其余线程可以继续push
    if (queueEmpty){
        // wake up threads waiting for stuff
        g_cond_broadcast(m_cond);
    }
    g_mutex_unlock(m_mutex);
    return true;
}

template <typename T>
void BlockingQueue<T>::Pop(T &out_data){
    g_mutex_lock(m_mutex);
    // 队列为空则陷入等待,直到队列有元素
    while (m_theQueue.empty()){
        g_cond_wait(m_cond, m_mutex);
    }
    
    bool queueFull = (m_theQueue.size() >= m_maximumSize) ? true : false;
    out_data = m_theQueue.front();
    m_theQueue.pop();
    // 如果队列已经满了,通知其他线程来pop
    if (queueFull){
        // wake up threads waiting for stuff
        g_cond_broadcast(m_cond);
    }
    g_mutex_unlock(m_mutex);
}

我们举个例子:

  1. 队列m_maximumSize为10
  2. 连续push 20个消息,后面的10个push线程会卡住在wait
  3. 连续pop 10个消息,此时10个消息被pop出去,还有10个push线程卡死在wait(假设pop时有新的push,新的push会直接push进去)
  4. 此时队列为空,新来的pop卡死;之前步骤2卡死在push的线程都会被依次唤醒,push直到队列满

CAS实现的队列

https://www.codeproject.com/Articles/153898/Yet-another-implementation-of-a-lock-free-circul

CAS回顾

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volatile int a;
a = 1;

// a不等于1的时候会一直循环
// a等于1的时候a会被赋值为2,并返回true
while (!CAS(&a, 1, 2)){
    ;
}