无锁双链表的原子操作

Atomic operations for lock-free doubly linked list

本文关键字:原子操作 链表      更新时间:2023-10-16

我正在根据这些论文编写一个无锁的双向链表:

"基于引用计数的高效可靠的无锁内存回收"Anders Gidenstam,IEEE成员,Marina Papatriantafilou,H° akan Sundell和Philippas Tsigas

"无锁双链表和双向链表"哈坎·桑德尔,菲利帕斯·齐加斯

对于这个问题,我们可以把第一篇论文放在一边。

在本文中,他们使用一种智能方式在单词中存储删除标志和指针。(更多信息在这里)

本文中本节的伪代码:

union Link
    : word
    (p,d): {pointer to Node, boolean} 
structure Node
    value: pointer to word
    prev: union Link
    next: union Link

以及我上面的伪代码的代码:

template< typename NodeT >
struct LockFreeLink
{
public:
    typedef NodeT NodeType;
private:
protected:
    std::atomic< NodeT* > mPointer;
public:
    bcLockFreeLink()
    {
        std::atomic_init(&mPointer, nullptr);
    }
    ~bcLockFreeLink() {}
    inline NodeType* getNode() const throw()
    {
        return std::atomic_load(&mPointer, std::memory_order_relaxed);
    }
    inline std::atomic< NodeT* >* getAtomicNode() const throw()
    {
        return &mPointer;
    }
};
struct Node : public LockFreeNode
{
    struct Link : protected LockFreeLink< Node >
    {
        static const int dMask = 1;
        static const int ptrMask = ~dMask;
        Link() { } throw()
        Link(const Node* pPointer, bcBOOL pDel = bcFALSE) throw()
        { 
            std::atomic_init(&mPointer, (reinterpret_cast<int>(pPointer) | (int)pDel)); 
        }
        Node* pointer() const throw() 
        { 
            return reinterpret_cast<Node*>(
                std::atomic_load(&data, std::memory_order_relaxed) & ptrMask); 
        }
        bool del() const throw() 
        { 
            return std::atomic_load(&data, std::memory_order_relaxed) & dMask; 
        }
        bool compareAndSwap(const Link& pExpected, const Link& pNew) throw() 
        { 
            Node* lExpected = std::atomic_load(&pExpected.mPointer, std::memory_order_relaxed);
            Node* lNew = std::atomic_load(&pNew.mPointer, std::memory_order_relaxed);
            return std::atomic_compare_exchange_strong_explicit(
                &mPointer,
                &lExpected,
                lNew,
                std::memory_order_relaxed,
                std::memory_order_relaxed); 
        }
        bool operator==(const Link& pOther) throw() 
        { 
            return std::atomic_load(data, std::memory_order_relaxed) == 
                std::atomic_load(pOther.data, std::memory_order_relaxed); 
        }
        bool operator!=(const Link& pOther) throw() 
        { 
            return !operator==(pOther); 
        }
    };
    Link mPrev;
    Link mNext;
    Type mData;
    Node() {};
    Node(const Type& pValue) : mData(pValue) {};
};

在本文中,有此函数用于将链接的删除标记设置为true:

procedure SetMark(link: pointer to pointer to Node)
    while true do
       node = *link;
       if node.d = true or CAS(link, node, (node.p, true)) then break;

以及我用于此函数的代码:

void _setMark(Link* pLink)
{
    while (bcTRUE)
    {
        Link lOld = *pLink;
        if(pLink->del() || pLink->compareAndSwap(lOld, Link(pLink->pointer(), bcTRUE)))
            break;
    }
}

但我的问题在于compareAndSwap函数中,我必须比较和交换三个原子变量。有关问题的信息在这里

(实际上new比较和交换函数中的变量并不重要,因为它是线程本地的)

现在我的问题:我如何编写比较和交换函数来比较和交换三个原子变量,或者我在哪里犯了错误?

(请原谅我的长篇提问)

编辑:

内存管理器论文中也有类似的问题:

function CompareAndSwapRef(link:pointer to pointer toNode,
old:pointer toNode, new:pointer toNode):boolean
    if CAS(link,old,new) then
        if new=NULL then
            FAA(&new.mmref,1);
            new.mmtrace:=false;
    if old=NULLthen FAA(&old.mmref,-1);
    return true;
return false; 

在这里,我必须再次比较和交换三个原子变量。(请注意,我的论点是Link类型,我必须比较和交换LinkmPointer

除非你能使你正在比较/交换的三个数据项适合两个指针大小的元素,否则你不能用比较和交换来做到这一点(当然不是在x86上,我也没有听说过任何其他机器架构有这样的东西)。

如果您依赖于存储在(至少)与偶数字节地址对齐的地址上的数据,则在删除元素时,可能会使用按位 OR 设置最低位。过去,人们一直使用地址的上半部分来存储额外的数据,但至少在x86-64中,这是不可能的,因为地址的上半部分必须是"规范的",这意味着任何高于"可用限制"(由处理器架构定义,目前是48位)的地址位,必须都与可用限制的最高位相同(所以, 同位 47)。

编辑:这部分代码完全符合我的描述:

    static const int dMask = 1;
    static const int ptrMask = ~dMask;
    Link() { } throw()
    Link(const Node* pPointer, bcBOOL pDel = bcFALSE) throw()
    { 
        std::atomic_init(&mPointer, (reinterpret_cast<int>(pPointer) | (int)pDel)); 
    }
    Node* pointer() const throw() 
    { 
        return reinterpret_cast<Node*>(
            std::atomic_load(&data, std::memory_order_relaxed) & ptrMask); 
    }

它使用最低位来存储pDel标志。

您应该能够通过使用 a 形式的 cmpxchg16b(在 x86 上)对双链表执行此操作。在Windows系统中,这将是_InterlockedCompareExchange128 。在gcc(对于Unix类型的操作系统,如Linux/MacOS)中,你需要首先从你的两个指针构造一个int128。如果你正在编译32位代码,你可能需要为Windows和Unix OS制作一个64位int。

http://www.drdobbs.com/cpp/lock-free-code-a-false-sense-of-security/210600279

但是通过编写自己的无锁代码来批量替换锁是 不是答案。无锁代码有两个主要缺点。首先,它是 对解决典型问题没有广泛用处 — 大量基本数据 结构,即使是双向链表,仍然没有已知的无锁 实现。提出新的或改进的无锁数据 结构仍然会让你至少在参考文献中发表一篇论文 日记,有时是学位。

我认为使用它的效率不够高,但无论如何,阅读起来很有趣。

在 x64 上,仅使用 44 位地址空间。 如果您的指针对齐到 8 个字节,那么您只使用 41 位。 41x2 对于 64 位来说仍然太大。 有一个 128 位的比较和交换,尽管我不能保证它的速度。 我总是尝试使用 64 位的。

也许您只需要多达 20 亿个节点。 因此,您可以做的是预先分配列表从中提取的节点池。 当然,您可以通过使用原子操作获取下一个可用池索引来创建节点。 然后,它们可能是节点池中的 31 位索引,而不是 next 和 prev 作为指针,并且您还剩下 2 位用于删除标志。 假设您不需要 20 亿个节点,那么您还剩下更多位。 唯一的缺点是你必须知道在启动时需要多少个节点,尽管如果你也有的话,你可以重新分配节点。

我所做的是使用虚拟内存函数来保留 GB 的地址空间,然后将物理 ram 映射到该空间,因为我需要它来扩展我的池,而无需重新分配。