Стек Трайбера — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Структура стека)
Строка 2: Строка 2:
 
'''Стек Трайбера''' ''(Treiber Stack)'' —  масштабируеммый ''lock-free'' стек. 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)''.
 
'''Стек Трайбера''' ''(Treiber Stack)'' —  масштабируеммый ''lock-free'' стек. 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 ==
 
== Описание ==
=== Идея ===
+
=== Требования к алгоритму ===
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. Чтобы не получилась каша, хотелось бы как-то контролировать процесс взаимодействия потоков. Для этого введем следующие условия:
+
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. Чтобы не получилась каша, хотелось бы как-то контролировать процесс взаимодействия потоков. Конечно, это можно было бы сделать просто блокируя каждую операцию, производимую на стеке. Но такая блокировка не есть хорошо, ведь тем самым мы уменьшаем параллелизм, а значит, уменьшаем масштабируемость программы. Уходя от данной стратегии, разрешим потоком работать одновременно со стеком и потребуем от алгоритма условие неблокируемости.
#Добавлять новый элемент только если уверены, что добавляемый элемент — единственный с момента начала операции.
 
#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 ===
 
=== Lock-freedom алгоритмы и CAS ===
Для многопоточного алгоритма недостаточно требовать лишь взаимное исключение. Другое важное свойство — неблокируемость. Свойство ''Lock-freedom'' гарантирует прогресс в системе. Для его реализации используется операция <tex>CAS</tex>.
+
Свойство ''Lock-freedom'' гарантирует прогресс в системе. Для его реализации используется операция <tex>CAS</tex>.
 
{{Определение  
 
{{Определение  
 
|definition=
 
|definition=
Строка 23: Строка 21:
  
 
== Алгоритм ==  
 
== Алгоритм ==  
 +
=== Идеи ===
 +
Переходя от требований к конкретной реализации, введем следующие условия:
 +
#Добавлять новый элемент только если уверены, что добавляемый элемент — единственный с момента начала операции.
 +
#При удалении элемента, перед его возвратом, нужно быть уверенным,что никакой другой поток не добавил новый элемент в стек с начала операции.
 
=== Структура стека ===
 
=== Структура стека ===
 
Как всегда каждый элемент стека содержит информацию о хранимом значении и указатель на следующий элемент. 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.
 
Как всегда каждый элемент стека содержит информацию о хранимом значении и указатель на следующий элемент. 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.
Строка 52: Строка 54:
  
 
<references />
 
<references />
 +
 +
==См. также==
 +
* [[Алгоритмы_взаимного_исключения]]
 +
 
== Источники информации==
 
== Источники информации==
 
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_Stack Wikipedia Treiber {{---}} Stack]
 
* [https://en.wikipedia.org/wiki/Treiber_Stack Wikipedia Treiber {{---}} Stack]

Версия 11:12, 1 октября 2018

Эта статья находится в разработке!

Стек Трайбера (Treiber Stack) — масштабируеммый lock-free стек. Считается, что впервые данный алгоритм был опубликовал R. Kent Treiber[1]. Алгоритм использует примитив [math]CAS[/math] (compare and set).

Описание

Требования к алгоритму

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. Чтобы не получилась каша, хотелось бы как-то контролировать процесс взаимодействия потоков. Конечно, это можно было бы сделать просто блокируя каждую операцию, производимую на стеке. Но такая блокировка не есть хорошо, ведь тем самым мы уменьшаем параллелизм, а значит, уменьшаем масштабируемость программы. Уходя от данной стратегии, разрешим потоком работать одновременно со стеком и потребуем от алгоритма условие неблокируемости.

Lock-freedom алгоритмы и CAS

Свойство Lock-freedom гарантирует прогресс в системе. Для его реализации используется операция [math]CAS[/math].

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 [math]CAS[/math] для целочисленных переменных.

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

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

Алгоритм

Идеи

Переходя от требований к конкретной реализации, 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.

Структура стека

Как всегда каждый элемент стека содержит информацию о хранимом значении и указатель на следующий элемент. Также имеем указатель на голову стека [math]H[/math], который будем изменять при помощи операции [math]CAS[/math]. Если при этом голова указывает на [math]null[/math], то стек — пуст.

Удаление элементов

Запомним, на что указывает голова стека (запишем в локальную переменную [math]head[/math]). Значение, которое хранит в себе [math]head[/math], — то, что необходимо будет вернуть. Попробуем переместить голову стеком [math]CAS[/math]ом. Если удалось — вернем [math]head.value[/math]. 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 [math]head[/math]). Создадим новый элемент, который хотим добавить в начало стека. Указатель на следующее значение для него — [math]head[/math]. Попробуем переместить [math]H[/math] на новый элемент, при помощи [math]CAS[/math]. 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
      if (head == null)
        throw new EmptyStackException();
      newHead = Node {value: x, next: head}
      if (CAS (&H, head, newHead)) 
        return

Примечания

См. также

Источники информации