無鎖數據結構（四）
Andrei Alexandrescu
December 16, 2007
譯者：張桂權
12/25/2007
（初稿階段，沒有得到許可不得引用，否則後果自負）
6 寫鎖（Write-Locked）WRRM Maps
爲了瞭解敵人的邪惡，首先嚐試一個經典的引用計數實現，並弄清失敗的原因是非常具有教育意義的。所以，讓我們思考一個使用map指針的引用計數，用WRRMMap存儲一個指向這種形式的機構的指針。
template <class K, class V>
class WRRMMap {
typedef std::pair<Map<K, V>*,
unsigned> Data;
Data* pData_;
...
};
美極了。現在，Lookup對pData_->second加1,然後查找map中所有它想要的項，最後把pData_->second減1。當引用計數值爲0時，pData_->first可以被delete了，然後pData_自身也被delete了。似乎連傻子都懂（foolproof），但是……
但是，這實在太“愚蠢（foolful）”了（或“連傻子都懂”的任意反義詞）。試想，正當某個線程發現引用計數值爲0，並且開始刪除pData_時，另外一個線程……不，更好點：一個bazillion線程已經鎖住垂死的pData_，並且準備讀取其中的數據項。無論你的方案有多靈巧，都將碰上這個基礎的catch-22（競爭）:讀取指向數據的指針，一個需要增加引用計數；但是計數器必須是數據本身的一部分，所以沒有訪問指針之前它不能讀取數據。這有點像電子柵欄，在其頂端有一個開-關按鈕：爲了安全的攀越柵欄，你首先需要關掉它，但是關掉它的目的不是你需要攀越它。
所以，讓我們思考其他的方法來恰當的delete舊的map。一個解決方案是等待，然後delete。舊的pMap_對象在處理器運行一毫秒之內將會被少之又少的線程查找；這是因爲新的查找將使用新的map，一旦CAS之間活動的查找結束，pMap_已經準備好Hades（傾斜）了。因此，一個方案應該在一個循環中給某個“蟒蛇”（boa serpent）線程排列舊的pMap_的值。這個線程休眠，大約，200毫秒，然後喚醒，delete最近的map，進入消化休眠。
這不是一個理論上安全的方案（雖然，實際上在邊界之內很不錯）。不管出於什麼理由，最邪惡的一件事情是，如果一個查找線程被延遲太久了，“蟒蛇”線程將在這個線程的腳下delete這個map。可以通過一直給“蟒蛇”線程賦一個低於其它任何線程的優先級，但是作爲一個整體的方案，有了“臭氣”之後，就很難消除了。如果你也同意，用嚴肅的表情很難防禦這種技術，那就讓那個我們繼續吧。
另外一個方案[4]，依賴於一個經過擴展的DCAS原子指令，它可以在內存中比較和交換兩個非共邊（non-contiguous）的字。
template <class T1, class T2>
bool DCAS(T1* p1, T2* p2,
T1 e1, T2 e2,
T1 v1, T2 v2) {
if (*p1 == e1 && *p2 == e2) {
*p1 = v1; *p2 = v2;
return true;
}
return false;
}
很自然了，這兩個位置是指針和引用技術本身。DCAS已經在Motorola 68040處理器上實現（非常的低效），而不是其它的處理器。因爲基於DCAS的方案被認爲只有理論價值。
第一發子彈目標是一個具有確定性解構的方案，依賴於很少需求的CAS2。前面曾經提到，很多32位機器實現了64位的CAS，通常被稱作CAS2。（因爲它僅操作共邊的字，很顯然CAS2沒有DCAS有效。）爲了啓動器，我們將引用計數的值保存到它看守的指針之後：
template <class K, class V>
class WRRMMap {
typedef std::pair<Map<K, V>*,
unsigned> Data;
Data data_;
...
};
（注意了，現在我們把計數保存到它保護的指針的後面，這樣我們就可以擺脫前面提到的catch-22問題了。我們將看它在啓動一分鐘內的代價。）
當訪問map之前，我們改變Lookup來給引用計數加1，之後進行減1。爲了簡明扼要，在下面的代碼段中，我們將忽略異常安全問題（謹慎使用標準計數可以實現）：
V Lookup(const K& k) {
Data old;
Data fresh;
do {
old = data_;
fresh = old;
++fresh.second;
} while (CAS(&data_, old, fresh));
V temp = (*fresh.first)[k];
do {
old = data_;
fresh = old;
--fresh.second;
} while (CAS(&data_, old, fresh));
return temp;
}
最後，Update用一個新的來替換這個map——但是僅當引用計數爲1時有機會窗口的纔可以。
void Update(const K& k,
const V& v) {
Data old;
Data fresh;
old.second = 1;
fresh.first = 0;
fresh.second = 1;
Map<K, V>* last = 0;
do {
old.first = data_.first;
if (last != old.first) {
delete fresh.first;
fresh.first =new Map<K, V>(old.first);
fresh.first->insert(make_pair(k, v));
last = old.first;
}
} while (!CAS(&data_, old, fresh));
delete old.first; // whew（嚄, 哨聲）
}
這裏Update是如何工作的呢？我們使用到現在很熟悉的變量old和fresh。但是現在的old.second（計數）從來不會通過data_.second賦值；它一直都是1。這就意味着，Update將一直循環，直到它有一個用另外一個擁有計數器值爲1的指針來替換指向一個計數器的值爲1的指着的機會的窗口。用淺顯的英語來說，這個循環會說“我將用一個新的map替換這個舊的，更新了一個之後，我將開始禁戒其它任何一個更新這個map，但是當且僅當只有一個map存在的時候我才進行替換。”變量last和相關的代碼僅僅是一個優化：避免在舊的map還沒有替換完（僅這計數器），而反反覆覆的重新構建map。
夠整潔吧？差遠了。Update現在加鎖了：在有機會更新map之前，它需要等待所有的Lookup結束。隨風飄揚是無鎖數據結構最好性質。尤其是，很容易使Update餓死（starve Update to death）：足夠高的頻率查找map——但是引用計數將永遠都不會降到1。所以到目前爲止我們得到的不是一個WRRM（Write-Rarely-Read-Many，少寫多讀）map，而是一個WRRMBNTM（Write-Rarely-Read-Many-But-Not-Many，少寫多讀，但不是太多）map。
---------------源文檔------------------
Lock-Free Data Structures
Andrei Alexandrescu
December 17, 2007
http://erdani.org/publications/cuj-2004-10.pdf
最後一次訪問時間：2007年12月30日
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