Treiber stack

Эта статья находится в разработке!

Treiber Stack - масштабируеммый lock-free стек. Считается, что впервые данный алгоритм был опубликовал R. Kent Treiber в статье "Systems Programming: Coping with Parallelism", 1986. Алгоритм использует примитив CAS (compare and set).

Описание

Идея

Основное отличие Treiber stack от однопоточного случая, заключается в том, что несколько потоков имеют доступ к данным в стеке одновременно, а значит, могут удалять и добавлять элементы независимо. Поэтому хотелось бы как-то контролировать процесс взаимодействия потоков. Для этого введем следующие условия: 1. Добавлять новый элемент только если уверены, что добавляемый элемент - единственный с момента начала операции. 2. При удалении элемента, перед его возвратом, нужно быть уверенным,что никакой другой поток не добавил новый элемент в стек с начала операции.

Lock-freedom алгоритмы и CAS

Для многопоточного алгоритма недостаточно требовать лишь взаимное исключение. Важное свойство - неблокируемость. Свойство Lock-freedom гарантирует прогресс в системе. Для его реализации используется операция CAS.

Определение:

Сравнение с обменом (англ. compare and set, compare and swap, CAS) — атомарная инструкция, сравнивающая значение в памяти с одним из аргументов, и в случае успеха записывающая второй аргумент в память.

Ниже представлен псевдокод операции CAS.

fun cas(p, old, new): bool {
    if *p ≠ old {
        return false
    }
    *p ← new
    return true
}

CAS операция используется для реализации таких примитивов синхронизации, как mutex и semaphore. Это своебразный базовый кирпичик для Lock-freedom алгоритмов, ведь если CAS привел к неудачи, то кто-то другой изменил старое значение. Таким образом, прогресс в системе есть. CAS реализован на уровне атомарных переменных во многих языках программирование, в том числе Java и C.

Алгоритм

Структура стека

Как всегда каждый элемент стека содержит информацию о хранимом значении и указатель на следующий элемент. Также имеем указатель на голову стека H, который будем изменять при помощи операции CAS. Если H==NULL, то стек - пуст.

Удаление элементов

Запомним, на что указывает голова стека (head). Значение, которое хранит в себе head - то, что необходимо будет вернуть. Попробуем переместить голову стеком CASом. Если удалось - вернем head.value. 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 (head). Создадим новый элемент, который хотим добавить в начало стека. Указатель на следующее значение для него - head. Попробуем переместить H на новый элемент, при помощи CAS. 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) { //Cas loop
      head = H
      if (CAS (&H, head, head.next)) 
        return head.value
    }
}
fun push(x: Int) {
    while (true) { //Cas loop
      head = H
      newHead = Node {value: x, next: head}
      if (CAS (&H, head, newHead)) 
        return
    }
}

Источники

• Treiber Stack
• CAS