无锁圆阵列答案

【问题标题】：Lock Free Circular Array无锁圆阵列
【发布时间】：2014-01-02 19:42:25
【问题描述】：

我正在考虑实现一个无锁循环数组。一个问题是以无锁方式维护头和尾指针。我想到的代码是：

int circularIncrementAndGet(AtomicInteger i) {
    i.compareAndSet(array.length - 1, -1);
    return i.incrementAndGet();
}

然后我会做这样的事情：

void add(double value) {
    int idx = circularIncrementAndGet(tail);
    array[idx] = value;
}

（请注意，如果数组已满，旧值将被覆盖，我可以接受）。

有人认为这种设计有问题吗？我怀疑可能存在我没有看到的比赛条件。

【问题讨论】：

标签： java lock-free circular-buffer

【解决方案1】：

更简单的方法是使用 2 的幂并执行以下操作。

 final double[] array;
 final int sizeMask;
 final AtomicInteger i = new AtomicInteger();

 public CircularBuffer(int size) {
      assert size > 1 && ((size & (size -1)) == 0); // test power of 2.
      array = new double[size];
      sizeMask = size -1;
 }

 void add(double value) {
     array[i.getAndIncrement() & sizeMask] = value;
 }

【讨论】：

如果增量发生在之前，我们如何确保对数组的最后一次写入是可见的？
@FrancescoMenzani 它不能保证它，但由于读者和作者之间没有协调，如果你需要的话，你可能想要更复杂的东西。

【解决方案2】：

查看中断器：http://lmax-exchange.github.io/disruptor/，它是 Java 中的开源无锁循环缓冲区。

【讨论】：

循环缓冲区等等。
Disruptor 也不一定是无锁的。如果您不想以 100% 的速度旋转 CPU，则需要 EMPTY 和 FULL 互斥策略。

【解决方案3】：

是的，有一个竞争条件。

说i = array.length - 2，两个线程进入circularIncrementAndGet()：

Thread 1: i.compareAndSet(array.length - 1, -1) results in i = array.length - 2
Thread 2: i.compareAndSet(array.length - 1, -1) results in i = array.length - 2
Thread 1: i.incrementAndGet() results in i = array.length - 1
Thread 2: i.incrementAndGet() results in i = array.length

当线程 2 到达 array[idx] = value 时导致 ArrayIndexOutOfBoundsException（以及在所有后续调用 add() 直到 i 溢出）。

@Peter Lawrey 提出的解决方案不存在这个问题。

【讨论】：

【解决方案4】：

如果你坚持以下限制：

任何时候只允许一个线程修改头指针
任何时候只允许一个线程修改尾指针
Dequeue-on-empty 给出一个返回值，表明什么都没做
Enqueue-on-full 给出一个返回值，表明什么都没做
您不会计算队列中存储了多少值。
您在数组中“浪费”了一个永远不会使用的索引，这样您就可以知道数组何时已满或何时为空，而无需计数。

可以实现循环数组/队列。

入队线程拥有尾指针。出队线程拥有头指针。除了一个条件，这两个线程目前没有共享任何状态，所以没有问题。

该条件正在测试空虚或饱满。

认为空意味着 head == tail;考虑 full 意味着 tail == head - 1 模数组大小。 Enqueue 必须检查队列是否已满，dequeue 必须检查队列是否为空。您需要在数组中浪费一个索引来检测完整和空之间的差异 - 如果您排队进入最后一个存储桶，那么完整将是 head == tail 并且空将是 head == tail 现在你死锁了 - 你认为你是既空又满，所以没有工作可以完成。

在执行这些检查时，可能会在比较时更新一个值。但是由于这两个值是单调递增的，所以不存在正确性问题：

如果在 dequeue 方法中，在比较期间 head == tail 计算为真，但 tail 紧接着向前移动，没问题 - 你认为数组是空的，但实际上不是，但没什么大不了的，您只需从 dequeue 方法返回 false 并重试。
如果在 enqueue 方法中，tail == head - 1 计算为 true，但在此之后 head 增加，那么您会认为数组已满，但实际上并非如此，但同样，不大不了，你只会从 enqueue 中返回 false 并重试。

这是我多年前在 Dobb 博士那里找到的实现背后使用的设计，它对我很有帮助：

http://www.drdobbs.com/parallel/lock-free-queues/208801974

【讨论】：