When Lock-Free Still Isn't Enough: An Introduction to Wait-Free Programming and Concurrency Techniques

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摘要
本文介绍了无锁编程和无等待并发技术的核心概念。首先回顾了并发编程和无锁编程的基础知识，然后深入探讨了无等待算法的定义及其实际意义。文档还介绍了无等待算法的设计模式，特别是'帮助'技术，其通过协作而非竞争或阻塞来确保所有线程进展。同时，文档讨论了性能评估的重要性，强调了通过对算法进展保证的分析来指导设计，并通过基准测试验证性能。最后，文档提出了无锁算法的分类，包括阻塞、遮阻自由、无锁和无等待，以及它们的理论保证和实际应用。
AI总结
《When Lock-Free Still Isn't Enough: An Introduction to Wait-Free Programming and Concurrency Techniques》 --- ### 总结 #### 1. 课程目标与知识提要 - 目标: 了解并发编程、锁自由编程、等待自由算法的定义与实际意义，通过案例学习等待自由算法设计，并进行性能基准测试。 - 知识提要: USSR果您已熟悉`std::atomic`和`compare_exchange`的功能，并对锁自由编程有基本了解。 #### 2. 性能与进展保证 - 性能: 不要盲目猜测性能，应通过算法的进展保证来指导设计，最后通过基准测试验证。 - 进展保证: - 阻塞: 无进展保证。 - 无阻塞: 单线程隔离环境下能在有限步数内完成。 - 锁自由: 任意时刻至少有一个线程进展，但无法保证单个操作一定完成。 - 等待自由: 所有操作在有限步数内完成，确保每个操作的有界完成时间。 #### 3. 锁自由与等待自由 - 锁自由算法: - 核心是CAS循环（Compare-And-Swap Loop）： - 读取数据结构的当前状态。 - 根据当前状态计算期望状态。 - 只有当当前状态未被其他线程修改时，才提交更改。 - 进展保证：锁自由，但非等待自由，可能因竞争无限重试。 - 等待自由算法: - 核心是协作（helping）而非竞争。 - 线程通过帮助其他线程完成操作，而非等待或竞争。 #### 4. 工具与方法 - 等待自由算法不能包含无界CAS循环，但仍可使用原子操作（如`compare_exchange`、`fetch_add`、`exchange`）。 - 通过协作设计，线程主动帮助其他线程完成操作。 #### 5. 案例：锁自由计数器 - 示例代码展示了一个锁自由的计数器设计，但其 CAS 循环可能因为竞争无限重试，不具备等待自由性。 #### 6. 核心要点 - 锁自由和等待自由的关键区别在于进展保证。 - 等待自由算法通过协作避免无限竞争，确保所有操作在有限步数内完成。 - 性能分析需结合理论进展保证和实际基准测试。 --- ### .take-home message - 进展保证是分类并发算法的有力工具，指导算法设计。 - 等待自由算法通过协作确保所有操作的有界完成时间。 - 永远不要猜测性能，通过理论分析和基准测试来验证设计。