原文地址：http://preshing.com/20120612/an-introduction-to-lock-free-programming

无锁编程是一项挑战，不仅仅是因为自身的复杂性所致，还与初次探索该课题的困难性相关。

我很幸运，我第一次介绍无锁(lock-free，也称为lockless)编程，是BruceDawson的出色而全面的白皮书《无锁编程注意事项》。和大多数人一样，我有机会将Bruce的建议用到无锁代码的编写和调试中，例如在Xbox360平台上的开发。

从那时起，写下了很多好的素材，包括抽象的理论、实例的正确性的证明以及一些硬件的细节。在脚注中会有一些引用。有时，来自一个源中的信息可能会和其它源是正交的。例如，一些材料假设了顺序一致性，这就回避了困扰c/c++无锁代码的内存排序问题。新的C++11的原子库标准提供了新的工具，这会挑战现有的无锁算法。

在本文中，我会重新介绍无锁编程，首先对其进行定义，然后从众多信息提炼出少数重要的概念。我会使用流程图来展示各个概念间的关系，然后我们将涉足一些细节问题。任何学习无锁编程的程序员，都应该能理解如何在多线程代码中使用互斥量，理解一些高级同步机制，例如信号和事件等。

无锁编程是什么

人们常常将无锁编程描述成不使用互斥量（一种锁的机制）的程序。这是事实，但又完全是。被广泛接受的基于学术报告的定义含有更广义的含义。从本质上来说，无锁编程是描述一些代码的一个属性，它并没有过多描述代码是如何写的。

基本上，你的代码的一些部分符合如下条件，即可被认为是无锁的。反之，如果你的代码一些部分不符合下述条件，则被认为不是无锁的。

在该场景中，“无锁”中的“锁”并不是直接指互斥量，而是指“锁定”整个应用的所有可能的方式，不论是死锁、活锁甚至可能是线程调度的方式都是你最大的敌人。最后一点听起来似乎很好笑，却是至关重要的一点。首先，共享互斥量被排除了，因为一旦一个线程获取了互斥量，你最大的敌人将永远无法再次调度那个线程。当然，真实的操作系统不是那样做的，只是我们是如此定义的。

下面这个简单的例子没有使用互斥量，但仍然不是无锁的。一开始，X=0.作为一个给读者的练习题，请考虑如何调度两个线程，才能使得两个都不退出循环？

while (X == 0)
{
  
  
    X = 1 - X;
}

没人期待整个大型的应用是完全无锁的。通常，我们可以从整个代码库中识别出一系列无锁操作。例如，在一个无锁队列中有少许的无锁操作，像push、pop，或许还有isEmpty等等。

《多处理器编程艺术》的作者Herlihy和Shavit，趋向于将这些操作表达成类的方法，并提出了一个简单的无锁的定义（PPT第150页）：“在一个无限的执行过程中，会不停地有调用结束”。换句话说，程序能不断地调用这些无锁操作的同时，许多调用的也是不断地在完成。从算法上来说，在这些操作的执行过程中，系统锁定是不可能的。无锁编程的一个重要的特性就是，如果挂起一个单独的线程，不会阻碍其它线程执行。作为一组线程，他们使用特定的无锁操作来完成这个特性。这揭示了无锁编程在中断处理程序和实时系统方面的价值。因为在这些情况下，特定的操作必须在特定的时间内完成，不论程序的状态如何。

最后的精确描述：设计用于阻塞的操作不会是无锁算法失去其资格。例如在无锁队列的操作中，当队列为空时，队列的弹出操作会有意地阻塞。但其它的代码路径仍然被认为是无锁的。

无锁编程技术

事实证明，当你试图满足无锁编程的无阻塞条件时，会出现一系列技术：原子操作、内存屏障、避免ABA问题，仅列举几例。从这里开始，事情很快变得棘手了。

那么，这些技术间是如何相互关联的？我将它们放在下面的流程图中进行展示。下文将逐一阐述。

原子的Read-Modify-Write操作

所谓原子操作是指，通过一种看起来不可分割的方式来操作内存：线程无法看到原子操作的中间过程。在现代的处理器上，有很多操作本身就是的原子的。例如，对简单类型的对齐的读和写通常就是原子的。

Read-Modify-Write（RMW）操作更进一步，它允许你按照原子的方式，操作更复杂的事务。当一个无锁的算法必须支持多个写时原子操作会尤其有用，因为多个线程试图在同一个地址上进行RMW时，它们会按“一次一个”的方式排队执行这些操作。我已经在我的博客中涉及了RMW操作了，如实现轻量级互斥量、递归互斥量和轻量级日志系统。

RMW操作的例子包括：Win32上的_InterlockedIncrement，iOS上的OSAtomicAdd32以及C++11中的std::atomic

::fetch_add
。需要注意的是，C++11的原子标准不保证其在每个平台上的实现都是无锁的，因此最好要清楚你的平台和工具链的能力。你可以调用std::atomic<>::is_lock_free来确认一下。

不同的CPU系列支持RMW的方式也是不同的。例如，PowerPC和ARM提供load-link/store-conditional指令，这实际上是允许你实现你自定义的底层RMW操作。常用的RMW操作就已经足够了。

正如上面流程图所表述那样，即使在单处理器系统上，原子的RMW操作也是无锁编程的必要部分。没有原子性的话，一个线程的事务会被中途打断，这可能会导致一个错误的状态。

Compare-And-Swap循环

或许，最常讨论的RMW操作是compare-and-swap(CAS)。在Win32上，CAS是通过如_InterlockedCompareExchange等一系列指令来提供的。通常，程序员会在一个事务中使用Compare-And-Swap循环。这个模式通常包括：复制一个共享的变量至本地变量，做一些特定的工作（改动），再试图使用CAS发布这些改动。

void LockFreeQueue::push(Node* newHead)
{
  
  
    for (;;)
    {
  
  
        // Copy a shared variable (m_Head) to a local.
        Node* oldHead = m_Head;

        // Do some speculative work, not yet visible to other threads.
        newHead->next = oldHead;

        // Next, attempt to publish our changes to the shared variable.
        // If the shared variable hasn't changed, the CAS succeeds and we return.
        // Otherwise, repeat.
        if (_InterlockedCompareExchange(&m_Head, newHead, oldHead) == oldHead)
            return;
    }
}

这样的循环仍然有资格作为无锁的，因为如果一个线程检测失败，意味着有其它线程成功—尽管某些架构提供一个较弱的CAS变种。无论何时实现一个CAS循环，都必须十分小心地避免ABA问题。

顺序一致性

顺序一致性意味着，所有线程就内存操作的顺序达成一致。这个顺序是和操作在程序源代码中的顺序是一致的。在顺序一致性的要求下，像我之前演示的那样的有意的内存重排序不再可能了。

达到顺序一致性，一个简单的（但显然不切合实际的）方式就是禁用编译器优化并强制你的所有线程在单个处理器上运行。一个处理器不会看到自己的内存效果失序，有些编程语言，即使是在多处理器环境上运行优化过的代码也能提供顺序一致性。在C++11中，你可以具有默认内存保序特性的atomic类型变量。在Java中，将变量标识为volatile。下面这个是用C++11风格重写的例子。

std::atomic X(0), Y(0);
int r1, r2;

void thread1()
{
    X.store(1);
    r1 = Y.load();
}

void thread2()
{
    Y.store(1);
    r2 = X.load();
}

    因为在C++11中atomic类型具有顺序一致性，因此r1=r2=0的结果是不可能的。为了达到此目标，编译器添加了额外的指令，通常是内存屏障或RMW操作。相对于让程序员直接处理内存保序的情况，这些额外的指令或许会使得程序效率降低。

内存保序

    正如前面流程图所建议的那样，任何时候做多核（或者任何对称多处理器）的无锁编程，如果你的环境不能保证顺序一致性，你都必须考虑如何来防止内存重新排序。

    在目前的架构中，增强内存保序性的工具通常分为三类，防止编译器重新排序和处理器重新排序：
1、一个轻型的同步或屏障指令，以后会详述；
2、一个完全的内存屏障指令，如之前所述；
3、内存操作提供获取或释放语义。
    获取语义防止它之后的操作被重新排序，按编程顺序进行；释放语义防止之前的操作被重新排序。这些语义非常适合生产者-消费者关系，一个线程发布一些信息，另一个线程读取。之后会详细论述。

不同的处理器有不同的内存模型

    在内存重新排序方面，不同的CPU族有不同的方式。每个CPU厂商都会在其文档中描述这些规则，相应的硬件严格遵守。例如，PowerPC和ARM处理器能自行修改存储在内存上的相关指令的顺序，而x86/64族的处理器（Intel和AMD）则不这么做。我们说前者有更宽松的内存模型。
    有个模板来抽象这些平台特有的细节，尤其是C++11为我们提供了一个标准的方式来编写可移植的无锁代码。但现在，我认为大多数无锁编程者都至少要有一些平台差异方面的认识。如果只有一个重要的差异要记住的话，那就是，在x86/64指令级别，每个从内存加载（的操作）都带有获取语义，每个存入内存（的操作）都带有释放语义。至少对于non-SSE指令和non-write-combined内存是这样的。因此，过去常常发现在x86/64平台上可以工作的无锁代码，在其他处理器上却无法正常工作。
如果你对硬件如何处理内存重新排序的细节感兴趣，我建议看看附录C“Is Pararllel Programming Hard”。在任何情况下，请记住，内存重新排序也可能是因为编译器指令重新排序。
    本文中，我没有叙述很多实践方面的无锁编程，例如：何时做？实际需要多少？我也没有提及验证你的无锁算法的重要性。我希望本文的介绍能为一些读者提供一个关于无锁概念的基本认识，这样你在进行进一步阅读时，就不必感到太奇怪。像往常一样，如果你发现任何不准确之处，请告之。

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