无锁队列

CAS原子操作

CAS英文全称Compare & Set(Swap),也就是原子操作，执行过程中不能被中断，在X86中有相应的汇编指令CMPCHG来实现。
CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

例如：

int val = 10; // V = 0x423D80

• 线程1想要把val的值加一。在当前状态下，1得到的val = 10,期望值为11。即A = 10， B = 11；
• 此时线程2切换时间片，将val更新为11；
• 线程1开始提交更新，首先进行比较，A = 10 != val = 11，提交失败，此时线程1重新获取内存地址V的当前值，A = 11， B = 12，并且重新开始比较。
• 如果相等，那么就把地址V的值替换为B = 12。

从思想上看，CAS属于乐观锁。

在c中的实现如下：

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
{
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval) {
     *reg = newval;
  }
  return old_reg_val;
}

在c++也可以实现为返回bool类型

bool compare_and_swap (int *addr, int oldval, int newval)
{
  if ( *addr != oldval ) {
      return false;
  }
  *addr = newval;
  return true;
}

CAS的缺点主要有：

1. CPU开销较大
   在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。
2. 不能保证代码块的原子性
   CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。
3. ABA问题
   如果另一个线程修改V值假设原来是A，先修改成B，再修改回成A。当前线程的CAS操作无法分辨当前V值是否发生过变化。

无锁队列

1. 初始化队列

   InitQueue(Q)
   {
       node = new node()
       node->next = NULL;
       Q->head = Q->tail = node;
   }

2. 入队使用CAS实现

EnQueue(Q, data) //进队列
{
    //准备新加入的结点数据
    n = new node();
    n->value = data;
    n->next = NULL;
    do {
        p = Q->tail; //取链表尾指针的快照
    } while( CAS(p->next, NULL, n) != TRUE); 
    //while条件注释：如果没有把结点链在尾指针上，再试
    CAS(Q->tail, p, n); //置尾结点 tail = n;
}

我们可以看到，程序中的那个 do-while 的 Retry-Loop 中的 CAS 操作：如果 p->next 是 NULL，那么，把新结点 n 加到队尾。如果不成功，则重新再来一次！

就是说，很有可能我在准备在队列尾加入结点时，别的线程已经加成功了，于是tail指针就变了，于是我的CAS返回了false，于是程序再试，直到试成功为止。这个很像我们的抢电话热线的不停重播的情况。

但是你会看到，为什么我们的“置尾结点”的操作（第13行）不判断是否成功，因为：

1. 如果有一个线程T1，它的while中的CAS如果成功的话，那么其它所有的 随后线程的CAS都会失败，然后就会再循环，
2. 此时，如果T1 线程还没有更新tail指针，其它的线程继续失败，因为tail->next不是NULL了。
3. 直到T1线程更新完 tail 指针，于是其它的线程中的某个线程就可以得到新的 tail 指针，继续往下走了。
4. 所以，只要线程能从 while 循环中退出来，意味着，它已经“独占”了，tail 指针必然可以被更新。
   这里有一个潜在的问题——如果T1线程在用CAS更新tail指针的之前，线程停掉或是挂掉了，那么其它线程就进入死循环了。下面是改良版的EnQueue()

   EnQueue(Q, data) //进队列改良版 v1
   {
       n = new node();
       n->value = data;
       n->next = NULL;
       p = Q->tail;
       oldp = p
       do {
           while (p->next != NULL)
               p = p->next;
       } while( CAS(p.next, NULL, n) != TRUE); //如果没有把结点链在尾上，再试
       CAS(Q->tail, oldp, n); //置尾结点
   }

我们让每个线程，自己fetch 指针 p 到链表尾。但是这样的fetch会很影响性能。而且，如果一个线程不断的EnQueue，会导致所有的其它线程都去 fetch 他们的 p 指针到队尾，能不能不要所有的线程都干同一个事？这样可以节省整体的时间？

比如：直接 fetch Q->tail 到队尾？因为，所有的线程都共享着 Q->tail，所以，一旦有人动了它后，相当于其它的线程也跟着动了，于是，我们的代码可以改进成如下的实现：

EnQueue(Q, data) //进队列改良版 v2 
{
    n = new node();
    n->value = data;
    n->next = NULL;

    while(TRUE) {
        //先取一下尾指针和尾指针的next
        tail = Q->tail;
        next = tail->next;

        //如果尾指针已经被移动了，则重新开始
        if ( tail != Q->tail ) continue;

        //如果尾指针的 next 不为NULL，则 fetch 全局尾指针到next
        if ( next != NULL ) {
            CAS(Q->tail, tail, next);
            continue;
        }

        //如果加入结点成功，则退出
        if ( CAS(tail->next, next, n) == TRUE ) break;
    }
    CAS(Q->tail, tail, n); //置尾结点
}

好了，我们解决了EnQueue，我们再来看看DeQueue的代码：

DeQueue(Q) //出队列
{
    do{
        p = Q->head;
        if (p->next == NULL){
            return ERR_EMPTY_QUEUE;
        }
    while( CAS(Q->head, p, p->next) != TRUE );
    return p->next->value;
}

我们可以看到，DeQueue的代码操作的是 head->next，而不是 head 本身。这样考虑是因为一个边界条件，我们需要一个dummy的头指针来解决链表中如果只有一个元素，head 和 tail 都指向同一个结点的问题，这样 EnQueue 和 DeQueue 要互相排斥了。

但是，如果 head 和 tail 都指向同一个结点，这意味着队列为空，应该返回 ERR_EMPTY_QUEUE，但是，在判断 p->next == NULL 时，另外一个EnQueue操作做了一半，此时的 p->next 不为 NULL了，但是 tail 指针还差最后一步，没有更新到新加的结点，这个时候就会出现，在 EnQueue 并没有完成的时候， DeQueue 已经把新增加的结点给取走了，此时，队列为空，但是，head 与 tail 并没有指向同一个结点。
虽然，EnQueue的函数会把 tail 指针置对，但是，这种情况可能还是会导致一些并发问题，所以，严谨来说，我们需要避免这种情况。于是，我们需要加入更多的判断条件，还确保这个问题。下面是相关的改进代码：

DeQueue(Q) //出队列，改进版
{
    while(TRUE) {
        //取出头指针，尾指针，和第一个元素的指针
        head = Q->head;
        tail = Q->tail;
        next = head->next;

        // Q->head 指针已移动，重新取 head指针
        if ( head != Q->head ) continue;
        
        // 如果是空队列
        if ( head == tail && next == NULL ) {
            return ERR_EMPTY_QUEUE;
        }
        
        //如果 tail 指针落后了
        if ( head == tail && next == NULL ) {
            CAS(Q->tail, tail, next);
            continue;
        }

        //移动 head 指针成功后，取出数据
        if ( CAS( Q->head, head, next) == TRUE){
            value = next->value;
            break;
        }
    }
    free(head); //释放老的dummy结点
    return value;
}