lock free（無鎖併發）是什麼

1、非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）

1. 無鎖編程 / lock-free / 非阻塞同步

無鎖編程，即不使用鎖的狀況下實現多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的狀況下實現變量的同步，因此也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。

實現非阻塞同步的方案稱爲「無鎖編程算法」（ Non-blocking algorithm）。

lock-free是目前最多見的無鎖編程的實現級別（一共三種級別）:

• wait-free
• lock-free
• obstruction-free

 

2. 爲何要 Non-blocking sync ？

使用lock實現線程同步有不少缺點：

* 產生競爭時，線程被阻塞等待，沒法作到線程實時響應。

* dead lock。

* live lock。

* 優先級翻轉。

* 使用不當，形成性能降低。

 

3. wait-free

是最理想的模式，整個操做保證每一個線程在有限步驟下完成。

保證系統級吞吐（system-wide throughput）以及無線程飢餓。

截止2011年，沒有多少具體的實現。即便實現了，也須要依賴於具體CPU。

 

4. lock-free

容許個別線程飢餓，但保證系統級吞吐。

確保至少有一個線程可以繼續執行。

wait-free的算法一定也是lock-free的。

 

5. obstruction-free

在任什麼時候間點，一個線程被隔離爲一個事務進行執行（其餘線程suspended），而且在有限步驟內完成。

在執行過程當中，一旦發現數據被修改（採用時間戳、版本號），則回滾。

也叫作樂觀鎖，即樂觀併發控制(OOC)。

事務的過程是：1讀取，並寫時間戳；2準備寫入，版本校驗；3校驗經過則寫入，校驗不經過，則回滾。

 

2、CAS

CAS( compare and swap) 原子操做，用來實現多線程下的變量同步。

保證了若是須要更新的地址沒有被其餘進程(線程)改動過，那麼它能夠安全的寫入。

而這也是咱們對於某個數據或者數據結構加鎖要保護的內容，保證讀寫的一致性，不出現dirty data。

 

CAS原語有三個參數：

• 內存地址，
• 指望值，
• 新值。

 

算法邏輯：

• 若是內存地址的值==指望值，表示該值未修改，此時能夠修改爲新值。
• 不然表示修改失敗，返回false，由用戶決定後續操做。

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval) {
  ATOMIC();
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval)
     *reg = newval;
  END_ATOMIC();
  return old_reg_val;
}

可在循環中不斷執行CAS，若是共享變量沒有改變，那麼swap，在當前環境中寫入，不然繼續do-while的Retry-Loop。

 

 

3、ABA問題

ABA問題最容易發生在lock free算法中的，地址被重用的狀況。

無鎖至關於「鎖」的粒度變小了，主要是「鎖」HEAD和TAIL這兩個關鍵資源。而不是整個數據結構。

 

thread1意圖對val=1進行操做變成2，cas(*val,1,2)。

thread1先讀取val=1；thread1被搶佔（preempted），讓thread2運行。

thread2 修改val=3，又修改回1。

thread1繼續執行，發現指望值與「原值」（其實被修改過了）相同，完成CAS操做。

 

使用CAS會形成ABA問題，特別是在使用指針操做一些併發數據結構時。

 

解決方案

ABAʹ：添加額外的標記用來指示是否被修改。

# Java demo
 
AtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);

boolean r = atom.compareAndSet(1, 2);

 

# C# demo

int i=1;

Interlocked.Increment(ref i);