Просмотр исходного текста страницы Очередь Майкла и Скотта

{{В разработке}}
'''Очередь Майкла и Скотта''' ''(Michael-Scott Queue)'' - алгоритм построения lock-free очереди. Впервые был предложен Maged M. Michael и  Michael L. Scot в статье <ref>[http://www.cs.rochester.edu/~scott/papers/1996_PODC_queues.pdf? Simple, Fast, and Practical Non-Blocking and BlockingConcurrent Queue Algorithms]</ref>.
== Структура очереди ==

Очередь моделируется с помощью односвязного списка. Каждый элемент списка (<tex>Node</tex>) содержит ссылку на хранимые в нём данные и указатель на следующий элемент списка (который можно менять атомарно).

 '''case class''' Node('''val''' data: '''Int''', '''val''' next: AtomicReference<Node>)

Если узел <tex>node</tex> является последним в списке, то его <tex>next</tex> указывает на <tex>null</tex>.

Сама очередь состоит из двух указателей: на голову <tex>H</tex> и на хвост <tex>T</tex>, которые можно менять атомарно. Удаление из очереди происходит со стороны головы, добавление - со стороны хвоста.

Узел списка, на который указывает <tex>H</tex>, является фиктивным (''dummy''). Данные, хранимые в этом узле, не имеют значения. Изначально очередь состоит из одного ''dummy''-элемента, на который указывают <tex>T</tex> и <tex>H</tex>.

 '''class''' Queue
     dummy = '''new''' Node(null, '''new''' AtomicReference<Node>(null))
     head = '''new''' AtomicReference<Node>(dummy)
     tail = '''new''' AtomicReference<Node>(dummy)

// TODO; картинка

Будем поддерживать следующий инвариант: в нашей очереди <tex>H</tex> указывает на узел, находящийся не правее узла, на который указывает <tex>T</tex>

==Идея реализации==

=== Удаление элемента ===

Для удаления элемента необходимо переместить указатель <tex>H</tex> на следующую в списке вершину.

 '''def''' pop(): '''Int'''
     if (H.next == null):
         '''throw''' '''new''' EmptyException()
     H = H.next
     '''return''' H.data <font color=green>//H - новый фиктивный элемент</font>

=== Добавление элемента ===

Создадим новый узел списка, и добавим его в конец очереди. 

 '''def''' push(x: '''Int'''):
     newTail = '''new''' Node(x, new AtomicReference<Node>(null))
     T.next = newTail <font color=green>//Добавление новой вершины в очередь</font>
     T = T.next <font color=green>//Изменение хвоста списка</font>

== Многопоточная реализация ==

Будем при всех изменениях указателей на вершины списка использовать <tex>CAS</tex> (то есть при изменении  <tex>T</tex>, <tex>H</tex>, и <tex>T.next</tex>)

=== Удаление элемента ===

Для удаления элемента необходимо переместить указатель <tex>H</tex> на следующую в списке вершину.

 '''def''' pop(): '''Int'''
     '''while''' ('''true'''): <font color=green>//Поток пытается в CAS - цикле поменять указатель на H, пока не получится</font>
         head = H.get()
         if (head.next == null):
             '''throw''' '''new''' EmptyException()
         newHead = head.next.get()
         if ('''CAS'''(H, head, nextHead)):
             '''return''' newHead.data

=== Добавление элемента ===

Создадим новый узел списка, и добавим его в конец очереди. 

 '''def''' push(x: '''Int'''):
     newTail = '''new''' Node(x, '''new''' AtomicReference<Node>(null))
     '''while''' ('''true'''): <font color=green>//Поток пытается в CAS - цикле поменять T.next, пока не получится</font>
         tail = T.get()
         curTail = tail.next
         if ('''CAS'''(curTail, null, newTail)): <font color=green>//Поток пытается добавить элемент в конец очереди</font>
             '''break'''
    '''while''' ('''true'''): <font color=green>//Поток пытается в CAS - цикле поменять указатель на T, пока не получится</font>
         tail = T.get()
         nextTail = tail.next.get()
         if ('''CAS'''(T, tail, nextTail)):
             '''break'''

При данной реализации мы сталкиваемся со следующей проблемой

== Описание проблемы ==

Рассмотрим ситуацию, при которой два потока <tex>A</tex> и <tex>B</tex> добавляют в очередь элементы <tex>6</tex> и <tex>7</tex>. Рассмотрим следующую последовательность действий:

# Поток <tex>A</tex> добавляет в очередь новую вершину, изменяя <tex>T.next</tex>, но не успевает изменить <tex>T</tex> так, чтобы он указывал на только что добавленную вершину.
# Планировщик операционной системы усыпляет поток <tex>A</tex>.
# Поток <tex>B</tex> собирается добавить новую вершину в очередь, но не может этого сделать, так как постоянно проваливает операцию <tex>CAS(T.next, null, newTail)</tex> (T.next не указывает на <tex>null</tex>, так как поток <tex>A</tex> на шаге <tex>1</tex> добавил в очередь новую вершину, но не передвинул <tex>T</tex>)
# Поток <tex>B</tex> не сможет добавить в очередь новую вершину (а следовательно, завершить операцию <tex>push</tex>), до тех пор, пока планировщик операционной системы не разбудит поток <tex>A</tex>, и поток <tex>A</tex> не завершит добавление (то есть не передвинет <tex>T</tex> на вершину, добавленную на шаге <tex>1</tex>.)

Следовательно, у такой очереди нет гарантии прогресса, и этот алгоритм не lock-free.

== Корректная lock-free реализация ==

==Примечания==

<references />
== Источники информации==
* Maurice Herliny & Nir Shavit - The Art of Multiprocessor programming, стр 230
[[Категория: Параллельное программирование]]