无锁编程：概念、类型与CAS与内存屏障详解

无锁化编程是一种高级并发控制技术，旨在提高多线程程序的性能和正确性，避免了传统锁机制带来的死锁、活锁和资源争用等问题。主要关注两种核心概念：无阻塞性和非饥饿性。 1. **无阻塞性 (Obstruction-free)**: - 定义：一个线程在没有其他竞争线程干扰的情况下，能够在有限步骤内完成任务。 - 孤立环境：意味着其他线程处于暂停状态，不会阻碍它的执行。 - 重要性：允许线程独立运行，提高了系统的并发度和响应速度。 2. **非饥饿性 (Starvation-free)**: - 定义：线程在任何时候都能获得所需的资源，不受资源分配策略的影响，即使等待时间不确定。 - 注意：非饥饿性线程可以是阻塞的，只要最终能够获得资源即可。 3. **非阻塞且非饥饿 (Wait-free)**: - 严格的并发性要求，任何线程都能在有限时间内完成任务，不会因为其他线程的操作而延迟。 - 实例：以色列理工大学的Kogan/Petrank研究中的wait-free多生产者-多消费者队列，尽管性能可能不如lock-free队列，但提供更可预测的响应时间。 4. **锁-free编程**: - 至少有一线程能在有限步骤内完成任务，整体上保持高并发性。 - 可能存在部分线程饥饿的情况，比如Retry-and-loop策略可能导致线程无法立即获取资源。 5. **Compare-And-Swap (CAS)**: - 一种原子操作，用于更新共享变量，确保在读取旧值后只有当预期的值未改变时才进行更新。 - 常见C接口如boolCAS(T* ptr, T old_val, T new_val)，涉及汇编指令lock cmpxchg。 6. **内存屏障**: - 防止编译器优化或处理器特性导致的数据竞争和乱序执行。 - 分类包括WriteMemoryBarriers（写屏障）、DataDependencyBarriers（依赖关系屏障）、ReadMemoryBarriers（读屏障）和GeneralMemoryBarriers（通用屏障），确保内存一致性。 7. **Load/Store操作**: - Load操作从内存读取数据到寄存器，Store操作从寄存器写入数据到内存，是并发编程的基本操作，需要与内存屏障结合使用。 无锁化编程的关键在于设计出高效的并发数据结构和算法，以确保在竞争环境中依然能保证正确性和性能。这通常需要深入理解并发模型、底层硬件特性以及内存模型。虽然实现起来挑战较大，但它在现代高性能并发编程中扮演着至关重要的角色。