关于CAS等原子操作

在开始说无锁队列之前，我们需要知道一个很重要的技术就是CAS操作——Compare & Set，或是 Compare & Swap，现在几乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作，X86下对应的是 CMPXCHG 汇编指令。有了这个原子操作，我们就可以用其来实现各种无锁（lock free）的数据结构。

这个操作用C语言来描述就是下面这个样子：意思就是说，看一看内存*reg里的值是不是oldval，如果是的话，则对其赋值newval。

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
{
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval) {
     *reg = newval;
  }
  return old_reg_val;
}

我们可以看到，old_reg_val 总是返回，于是，我们可以在 compare_and_swap 操作之后对其进行测试，以查看它是否与 oldval相匹配，因为它可能有所不同，这意味着另一个并发线程已成功地竞争到 compare_and_swap 并成功将 reg 值从 oldval 更改为别的值了。

这个操作可以变种为返回bool值的形式（返回 bool值的好处在于，可以调用者知道有没有更新成功）：

bool compare_and_swap (int *addr, int oldval, int newval)
{
  if ( *addr != oldval ) {
      return false;
  }
  *addr = newval;
  return true;
}

CAS的ABA问题

所谓ABA，问题基本是这个样子：
进程P1在共享变量中读到值为A

P1被抢占了，进程P2执行
P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占。
P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。
虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free 的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的值。很明显，值是很容易又变成原样的。
你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个***性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

解决ABA的问题
一次用CAS检查双倍长度的值，前半部是值，后半部分是一个计数器。
只有这两个都一样，才算通过检查，要吧赋新的值。并把计数器累加1。
这样一来，ABA发生时，虽然值一样，但是计数器就不一样

无锁队列的链表实现

初始化一个队列的代码很简，初始化一个dummy结点（注：在链表操作中，使用一个dummy结点，可以少掉很多边界条件的判断），如下所示：
```
InitQueue(Q)
{
    node = new node()
    node->next = NULL;
    Q->head = Q->tail = node;
}
```
我们先来看一下进队列用CAS实现的方式，基本上来说就是链表的两步操作：

第一步，把tail指针的next指向要加入的结点。tail->next = p;

第二步，把tail指针移到队尾。tail = p;

EnQueue(Q, data) //进队列
{
    //准备新加入的结点数据
    n = new node();
    n->value = data;
    n->next = NULL;
    do {
        p = Q->tail; //取链表尾指针的快照
    } while( CAS(p->next, NULL, n) != TRUE); 
    //while条件注释：如果没有把结点链在尾指针上，再试
    CAS(Q->tail, p, n); //置尾结点 tail = n;
}

我们可以看到，程序中的那个 do-while 的 Retry-Loop 中的 CAS 操作：如果 p->next 是 NULL，那么，把新结点 n 加到队尾。如果不成功，则重新再来一次！

就是说，很有可能我在准备在队列尾加入结点时，别的线程已经加成功了，于是tail指针就变了，于是我的CAS返回了false，于是程序再试，直到试成功为止。这个很像我们的抢电话热线的不停重播的情况。
但是你会看到，为什么我们的“置尾结点”的操作不判断是否成功，因为：

如果有一个线程T1，它的while中的CAS如果成功的话，那么其它所有的随后线程的CAS都会失败，然后就会再循环，
此时，如果T1 线程还没有更新tail指针，其它的线程继续失败，因为tail->next不是NULL了。
直到T1线程更新完 tail 指针，于是其它的线程中的某个线程就可以得到新的 tail 指针，继续往下走了。
所以，只要线程能从 while 循环中退出来，意味着，它已经“独占”了，tail 指针必然可以被更新。
这里有一个潜在的问题——如果T1线程在用CAS更新tail指针的之前，线程停掉或是挂掉了，那么其它线程就进入死循环了。下面是改良版的EnQueue()

EnQueue(Q, data) //进队列改良版 v1
{
    n = new node();
    n->value = data;
    n->next = NULL;
    p = Q->tail;
    oldp = p
    do {
        while (p->next != NULL)
            p = p->next;
    } while( CAS(p.next, NULL, n) != TRUE); //如果没有把结点链在尾上，再试
    CAS(Q->tail, oldp, n); //置尾结点
}

我们让每个线程，自己fetch 指针 p 到链表尾。但是这样的fetch会很影响性能。而且，如果一个线程不断的EnQueue，会导致所有的其它线程都去 fetch 他们的 p 指针到队尾，能不能不要所有的线程都干同一个事？这样可以节省整体的时间？
比如：直接 fetch Q->tail 到队尾？因为，所有的线程都共享着 Q->tail，所以，一旦有人动了它后，相当于其它的线程也跟着动了，于是，我们的代码可以改进成如下的实现：

EnQueue(Q, data) //进队列改良版 v2 
{
    n = new node();
    n->value = data;
    n->next = NULL;
    while(TRUE) {
        //先取一下尾指针和尾指针的next
        tail = Q->tail;
        next = tail->next;
        //如果尾指针已经被移动了，则重新开始
        if ( tail != Q->tail ) continue;
        //如果尾指针的 next 不为NULL，则 fetch 全局尾指针到next
        if ( next != NULL ) {
            CAS(Q->tail, tail, next);
            continue;
        }
        //如果加入结点成功，则退出
        if ( CAS(tail->next, next, n) == TRUE ) break;
    }
    CAS(Q->tail, tail, n); //置尾结点
}

上述的代码还是很清楚的，相信你一定能看懂，而且，这也是 Java 中的 ConcurrentLinkedQueue 的实现逻辑，当然，我上面的这个版本比 Java 的好一点，因为没有 if 嵌套，嘿嘿。

好了，我们解决了EnQueue，我们再来看看DeQueue的代码：（很简单，我就不解释了）

如何利用CAS技术实现无锁队列

关于CAS等原子操作

CAS的ABA问题

解决ABA的问题

无锁队列的链表实现