Стек Трайбера

2018-11-24T09:04:35Z

217.66.158.78: запятые и другие незначительные правки

{{В разработке}}
'''Стек Трайбера''' (англ. ''Treiber Stack'') — масштабируеммый стек без блокировок (англ. ''lock-free''). Считается, что впервые данный алгоритм был опубликовал R. Kent Treiber<ref>[http://domino.research.ibm.com/library/cyberdig.nsf/0/58319a2ed2b1078985257003004617ef?OpenDocument R. Kent Treiber {{---}} Systems Programming: Coping with Parallelism, 1968]</ref>. Алгоритм использует примитив <tex>CAS</tex> (''compare and set'').
== Описание ==
=== Требования к алгоритму ===
Основное отличие стека Трайбера от однопоточного заключается в том, что несколько потоков имеют доступ к данным в стеке одновременно, а значит, могут удалять и добавлять элементы. Необходимо как-то контролировать процесс взаимодействия потоков. Конечно, это можно было бы сделать, просто блокируя каждую операцию, производимую на стеке. Но такая блокировка уменьшает параллелизм, а значит, уменьшаем масштабируемость программы. Уходя от данной стратегии, разрешим потокам работать одновременно со стеком и потребуем от алгоритма условие неблокируемости.
=== Lock-free алгоритмы и CAS ===
Свойство неблокируемости (англ. ''Lock-freedom'') гарантирует прогресс в системе. Для его реализации используется операция <tex>CAS</tex>.
{{Определение
|definition=
'''Сравнение с обменом''' (англ. ''compare and set, compare and swap, CAS'') — атомарная инструкция, сравнивающая значение в памяти с первым аргументом и, в случае успеха, записывающая второй аргумент в память.
}}
Ниже представлен псевдокод операции <tex>CAS</tex> для целочисленных переменных.

'''fun''' cas('''int*''' p, '''int''' old, '''int''' new): '''bool'''
'''if''' *p != old
'''return''' '''false'''
*p = new
'''return''' '''true'''

<tex>CAS</tex> используется для реализации таких примитивов синхронизации, как ''mutex'' и ''semaphore''. Это своеобразный базовый "кирпичик" для ''Lock-free'' алгоритмов, ведь если <tex>CAS</tex> привел к неудаче, то другой поток изменил старое значение. <tex>CAS</tex> реализован на уровне атомарных переменных во многих языках программирования.

== Алгоритм ==

=== Идеи ===
Переходя от требований к конкретной реализации, введем следующие условия:
#Добавлять новый элемент только убедившись, что на момент окончания операции, указатель на голову стека остался тот же. Другими словами, элемент, выбранный нами в качестве <tex>next</tex>, на момент окончания операции все еще актуален.
#При удалении элемента, перед его возвратом, нужно быть уверенным, что мы действительно удаляем текущую голову стека и в качестве новой головы предъявляем <tex>H.next</tex>.

=== Структура стека ===
Как всегда, каждый элемент стека содержит информацию о хранимом значении (<tex>value</tex>) и указатель на следующий элемент (<tex>next</tex>). Также имеем указатель на голову стека <tex>H</tex>, который будем изменять при помощи операции <tex>CAS</tex>. Если при этом голова указывает на <tex>null</tex>, то стек — пуст.

=== Удаление элементов ===
Запомним, на что указывает голова стека (запишем в локальную переменную <tex>head</tex>). Значение, которое хранит в себе <tex>head</tex>, — то, что необходимо будет вернуть. Попробуем переместить голову стеком <tex>CAS</tex>ом. Если удалось — вернем <tex>head.value</tex>. Если нет, то это означает, что с момента начала операции стек был изменен. Поэтому попробуем проделать операцию заново.

=== Добавление элементов ===
Запомним, куда указывает голова стека (запишем в локальную переменную <tex>head</tex>). Создадим новый элемент, который хотим добавить в начало стека. Указатель на следующее значение для него — <tex>head</tex>. Попробуем переместить <tex>H</tex> на новый элемент, при помощи <tex>CAS</tex>. Если это удалось — добавление прошло успешно. Если нет, то кто-то другой изменил стек, пока мы пытались добавить элемент. Придется начинать сначала.

== Псевдокод ==
'''fun''' pop(): '''Int'''
'''while''' ('''true''') <font color=green>//Cas loop</font>
head = H
'''if''' (CAS (&H, head, head.next))
'''return''' head.value

'''fun''' push(x: '''Int''')
'''while''' ('''true''') <font color=green>//Cas loop</font>
head = H
'''if''' (head == null)
'''throw''' new EmptyStackException();
newHead = Node {value: x, next: head}
'''if''' (CAS (&H, head, newHead))
'''return'''

==Примечания==

<references />

==См. также==
* [[Алгоритмы_взаимного_исключения]]

== Источники информации==
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_Stack Wikipedia Treiber {{---}} Stack]
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap Wikipedia {{---}} CAS]

[[Категория: Параллельное программирование]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Стек Трайбера