一种多线程基于计数无锁实现

      本文介绍一种不加锁，不使用原子操作的多线程同步机制。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。

 下面贴出参考测试代码：

#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;
}