Question

我正在根据这些论文编写一个无锁双链表：

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

“无锁deques和双链表” HåkanSundell，Philippas Tsigas

对于这个问题，我们可以放下第一篇论文。

在本文中，他们使用智能方法在一个单词中存储删除标志和指针。（更多信息here）

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

我上面的伪代码代码：

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，这个函数用于将链接的设置删除标记设置为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;

这个函数的代码：

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

但是我的问题出在compareAndSwap函数中，我必须比较和交换三个原子变量。有关问题的信息是here

（比较和交换函数中的new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compareAndSwap函数来比较和交换三个原子变量或我在哪里犯错？

（请原谅我很久的问题）

编辑：

类似的问题出现在内存管理器文件中：

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;

这里我必须比较和交换三个原子变量。（请注意，我的参数是Link的类型，我必须比较并交换mPointer的{{1}}

Answer 1

除非你能将你正在比较/交换的三个数据项放到两个指针大小的元素中，否则你不能用比较和交换来做（当然不能在x86上做，而且我没有听说过任何其他的有这样一件事的机器架构）。

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，则可能在删除元素时使用按位OR来设置最低位。在过去，人们一直在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”，这意味着任何地址位在“可用限制”（由处理器体系结构定义，当前为48位）之上，必须与可用限制的最高位相同（因此，与位47相同）。

编辑：这部分代码正是我所描述的：

    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。

您应该能够使用cmpxchg16b的形式（在x86上）为双链表执行此操作。在Windows系统中，这将是_InterlockedCompareExchange128。在gcc中（对于Unix类型的操作系统，例如Linux / MacOS），您需要首先从两个指针构造一个int128。如果您正在编译32位代码，则可能需要为Windows和Unix OS制作64位int。

Answer 2

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替换锁定批发是不是答案。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的用处 - 大量基础数据结构，甚至是双链表，仍然没有已知的无锁实现即可。提供新的或改进的无锁数据结构仍然可以为你赢得至少一篇已发表的论文期刊，有时是学位。

我认为使用它不够高效，但无论如何它的阅读都很有趣。

Answer 3

在x64上，仅使用44位地址空间。如果你的指针对齐到8个字节，那么你只使用41位。对于64位，41x2仍然太大。有一个128位的比较和交换，虽然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，您可以做的是预分配列表从中拉出的节点池。您可以通过使用原子操作来获取下一个空闲池索引来创建节点。然后，而不是next和prev作为指针，它们可以是节点池中的31位索引，并且剩下2位用于删除标志。假设您不需要20亿个节点，那么您还剩下更多的节点。唯一的缺点是你必须知道在启动时需要多少个节点，尽管你也可以重新分配节点。

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不必重新分配。

无锁双链表的原子操作

3 个答案: