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我正在研究 lock-free (en-,de-)queue algorithms of Michael and Scott .问题是我无法解释/理解几行(除了代码本身的注释之外,论文也无法解释)。
排队:
enqueue(Q: pointer to queue_t, value: data type)
E1: node = new_node() // Allocate a new node from the free list
E2: node->value = value // Copy enqueued value into node
E3: node->next.ptr = NULL // Set next pointer of node to NULL
E4: loop // Keep trying until Enqueue is done
E5: tail = Q->Tail // Read Tail.ptr and Tail.count together
E6: next = tail.ptr->next // Read next ptr and count fields together
E7: if tail == Q->Tail // Are tail and next consistent?
// Was Tail pointing to the last node?
E8: if next.ptr == NULL
// Try to link node at the end of the linked list
E9: if CAS(&tail.ptr->next, next, <node, next.count+1>)
E10: break // Enqueue is done. Exit loop
E11: endif
E12: else // Tail was not pointing to the last node
// Try to swing Tail to the next node
E13: CAS(&Q->Tail, tail, <next.ptr, tail.count+1>)
E14: endif
E15: endif
E16: endloop
// Enqueue is done. Try to swing Tail to the inserted node
E17: CAS(&Q->Tail, tail, <node, tail.count+1>)
为什么需要 E7?正确性取决于它吗?还是仅仅是一种优化?如果另一个线程成功执行了 E17 或下面的 D10(并更改了 Q->Tail),而第一个线程已执行 E5 但尚未执行 E7,则此 if
可能会失败。但是,如果在第一个线程执行 E7 之后立即执行 E17 怎么办?
编辑:这最后一句话是否证明 E7 只能是一种优化?我的直觉是确实如此,因为我给出的场景是“显然”if
语句会做出错误的决定,但该算法仍然应该正确工作。但是我们可以用随机条件替换 if
的条件,而不影响正确性。这个论点有什么漏洞吗?
出队:
dequeue(Q: pointer to queue_t, pvalue: pointer to data type): boolean
D1: loop // Keep trying until Dequeue is done
D2: head = Q->Head // Read Head
D3: tail = Q->Tail // Read Tail
D4: next = head.ptr->next // Read Head.ptr->next
D5: if head == Q->Head // Are head, tail, and next consistent?
D6: if head.ptr == tail.ptr // Is queue empty or Tail falling behind?
D7: if next.ptr == NULL // Is queue empty?
D8: return FALSE // Queue is empty, couldn't dequeue
D9: endif
// Tail is falling behind. Try to advance it
D10: CAS(&Q->Tail, tail, <next.ptr, tail.count+1>)
D11: else // No need to deal with Tail
// Read value before CAS
// Otherwise, another dequeue might free the next node
D12: *pvalue = next.ptr->value
// Try to swing Head to the next node
D13: if CAS(&Q->Head, head, <next.ptr, head.count+1>)
D14: break // Dequeue is done. Exit loop
D15: endif
D16: endif
D17: endif
D18: endloop
D19: free(head.ptr) // It is safe now to free the old node
D20: return TRUE // Queue was not empty, dequeue succeeded
同样,为什么需要 D5?正确性还是优化?我不确定这些测试给出的“一致性”是什么,因为它们似乎在 if
成功后立即变得不一致。
这看起来像是一种标准技术。有人可以解释其背后的动机吗?在我看来,似乎是为了避免在少数情况下执行(昂贵的)CAS,可以注意到它肯定会失败,但代价是总是进行额外的读取,这不应该那么多本身更便宜(例如,在 Java 中,Q->Tail
需要是易变的,所以我们知道我们不仅仅是在读取缓存在寄存器中的副本,而是在读取真实的东西,这将被翻译在阅读前加上某种栅栏),所以我不确定这里到底发生了什么……谢谢。
编辑 这已经移植到 Java,更准确地说是在 ConcurrentLinkedQueue 中,例如E7是194行,D5是212行。
最佳答案
我被困在同一个问题上,怀疑这可能是一种优化,所以我问了这篇论文的作者之一 Maged Michael。这是他的回应:
E7 and D5 are needed for correctness.
The following case shows why E7 is needed:
Thread P reads the value
<A,num1>
from Q->Tail in line E5Other threads change the queue such that the node A is removed and maybe later reused in a different queue (or a different structure with similar node structure) or allocated by a thread to insert it in this same queue. In any case A is not in this queue and its next field has the value
<NULL, num2>
.In line E6, P reads the value
<NULL, num2>
from A->next into next.(Skipping line E7)
In line E8, P finds next.ptr == NULL
In line E9, P executes a successful CAS on A->next as it finds
A->next == <NULL, num2>
and sets it to<node,num2+1>
.Now, the new node is incorrectly inserted after A which doesn't belong to this queue. This might also corrupt another unrelated structure.
With line E7, P would have discovered that Q->Tail has changed and would have started over.
Similarly for D5.
基本上,如果我们从 tail.ptr->next
读取将使我们相信下一个指针为空(因此我们可以写入节点),我们必须仔细检查此空指的是当前队列的末尾。如果在我们读取 null 后该节点仍在队列中,我们可以假设它确实是队列的末尾,并且比较和交换将(给定计数器)捕获该节点发生任何事情的情况 在 E7
中的测试之后(从队列中删除节点必然涉及改变其下一个指针)。
关于data-structures - 无锁队列算法,重复读取一致性,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/3873689/
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