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【原创】一种多线程基于计数无锁实现

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先申明下,该方案为我在实际编程中创造出来的,事先我没有在其中地方看到关于该方案的介绍。

在多线程编程中,我们经常会遇到线程同步问题,这时候加锁就变得必不可少。但是锁的使用会或多或少带来某些性能上的下降。下面先介绍一个多线程编程中经常遇到的问题模型,然后实现一种无锁解决方案。


问题模型:
R:表示某种资源,线程A往R中存放资源,线程B从R中取出资源。

先看看常规解决方法:
线程A往R中存放资源
1.获取锁(此处可能睡眠)。
2.存入资源。
3.修改资源计数。
4.释放锁。

线程B从R中取出资源
1.获取锁(此处可能睡眠)。
2.取出资源。
3.修改资源计数。
4.释放锁。

下面针对该模型实现一种无锁的解决方案:
首先定义一个数组ARRAY存在资源,假设数组的长度为L,然后再定义两个变量READ和WRITE。READ表示读计数,WRITE表示写计数。

该方案的基本思想为:
1.存入资源增加WRITE。
2.读取资源增加READ。
3.WRITE和READ都只增不减。
4.判断ARRAY存在空余空间,WRITE - READ < L。
5.判断ARRAY为空,WRITE = READ 。
6.定位读位置READ%L,定位写位置WRITE%L。

实际操作流程为:
初始化READ和WRITE为0。

线程A往R中存放一个资源
1.判断数组中的资源未满。
2.存放资源到ARRAY[WRITE%L]
3.增加WRITE。
线程B往R中读取一个资源
1.判断数组中的资源不为空。
2.存放资源到ARRAY[READ%L]
3.增加READ。

可能大家已经看出,上面的实现存在一个严重的问题,就是越界的问题,下面讨论解决方案:

1.越界后WRITE - READ需要保证正确。
大家知道无符号数有一个特性,
0x00000000-0xffffffff = 1;
0x00000000-0xfffffffe = 2;
只要把READ和WRITE定义成无符号数,就能保证WRITE - READ在越界后保证正确性。

2.WRITE%L 和 READ%L在越界后的正确性,我们需要保证以下等式成立:
0xffffffff%L = L -1

为了保证以上等式成立,可以将L设成2的n次方,对应32位整数,n的取值范围为0~31. 由于限定L为2的n次方,WRITE%L 和 READ%L可以写成WRITE&(L-1) 和 READ%L&(L-1).

讨论:
该无锁实现对多线程编程常用的模型提出一种无锁实现,但在使用中还需注意一下几点:
1.为防止程序从高速缓存中取值,必须将变量READ和WRITE定义成volatile类型。
2.该方案要求缓冲区的长度为2的n次方,取值可以为1,2,4,8,16,32,64……,大部分时候可以满足应用上的需求。
3.该方案目前只适用于基于数组的缓冲区结构。
4.该方案目前只适一个读者,一个写者的情形,如果存在多个读者,多个写者,需要分别对读者和写者进行加锁,但是使用该方案还是可以减少锁的力度。
代码:

#include "stdafx.h"
#include <windows.h>

class ZwAsynCount
{
public:
        ZwAsynCount(unsigned uSize)        //uSize必须为2的n次方
        {
                m_uReadCount = 0;
                m_uWriteCount = 0;
                m_uSize = uSize;
        }
        int Write()                                        //返回元素位置 -1表示读失败
        {
                int nRet = -1;

                if (m_uWriteCount - m_uReadCount < m_uSize)
                {
                        nRet = m_uWriteCount&(m_uSize-1);
                       
                }
                return nRet;
        }
        void AddWrite(int nCount = 1)
        {
                m_uWriteCount += nCount;
        }
        int Read()                                        //返回元素位置 -1表示写失败
        {
                int nRet = -1;

                if (m_uWriteCount - m_uReadCount > 0)
                {
                        nRet = m_uReadCount&(m_uSize-1);
                }

                return nRet;
        }
        void AddRead(int nCount = 1)
        {
                m_uReadCount+= nCount;
        }
private:
        unsigned m_uSize;
        volatile unsigned m_uReadCount;
        volatile unsigned m_uWriteCount;
};

class ZwTestShareBuffer
{
public:
        ZwTestShareBuffer():m_asynCount(128)
        {

        }
        BOOL Read()
        {
                BOOL bRet = FALSE;
                int nPos = m_asynCount.Read();
                if (nPos >= 0)
                {
                        printf("read: %d\n",m_data[nPos]);
                        bRet = TRUE;
                        m_asynCount.AddRead();
                }
                return bRet;
        }
        BOOL Write(int nData)
        {
                BOOL bRet = FALSE;
                int nPos = m_asynCount.Write();
                if (nPos >= 0)
                {
                        m_data[nPos] = nData;
                        bRet = TRUE;
                        m_asynCount.AddWrite();
                }
                return bRet;
        }
private:
        ZwAsynCount m_asynCount;
        int m_data[128];
};


ZwTestShareBuffer TestAsynShareBuffer;


DWORD  WINAPI  WriteProc(LPVOID lpParam)
{
        int nData = 0;
        while(TRUE)
        {
                if (!TestAsynShareBuffer.Write(nData))
                {
                        Sleep(1);
                }
                else
                {
                        nData++;
                }
        }
        return 0;
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
        ::CreateThread(NULL,0,WriteProc,NULL,0,NULL);

        while(TRUE)
        {
                if (!TestAsynShareBuffer.Read())
                {
                        Sleep(1);
                }
        }
        return 0;
}


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