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c++如何实现一个Lock-Free栈 c++无锁数据结构【并发】

穿越時空

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发布时间:2025-12-24 14:03:07

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来源于php中文网

原创

Lock-Free栈的核心是用CAS等原子操作替代互斥锁实现线程安全;关键难点为ABA问题和内存回收,可通过带版本号指针、Hazard Pointer或std::shared_ptr等方案缓解。

c++如何实现一个lock-free栈 c++无锁数据结构【并发】

Lock-Free的核心思想

Lock-Free栈的关键是避免使用互斥锁,转而用原子操作(如CAS)保证多线程下栈顶指针更新的线程安全。它不阻塞线程,即使某个线程暂停或崩溃,其他线程仍能继续执行。实现难点在于ABA问题和内存回收——C++11起可通过red">std::atomicstd::atomic_thread_fence配合智能指针或 Hazard Pointer 等技术缓解。

基础单链式Lock-Free栈(无内存回收)

这是教学级实现,忽略内存释放问题,聚焦核心逻辑:

  • std::atomic维护栈顶指针head
  • 压栈(push):构造新节点 → 原子读取当前head → CAS设置新节点next为旧head → CAS更新head为新节点;失败则重试
  • 弹栈(pop):原子读取当前head → CAS将head更新为head->next → 返回原head节点;失败则重试

注意:pop返回的节点不能立即delete,否则可能被其他线程正在访问(use-after-free)。这是无锁栈最易出错的一环。

解决ABA问题与安全内存回收

ABA问题:head从A→B→A,CAS误判为未修改。C++常用两种方式:

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  • 带版本号的指针:用std::atomic存储指针+计数器(如低几位存版本),每次CAS前递增版本
  • RCU或Hazard Pointer:记录线程当前正在使用的节点指针,确保其他线程不会回收它们
  • 基于std::shared_ptr的引用计数方案(适用于简单场景):用std::atomic<:shared_ptr>>,天然规避ABA(因对象生命周期由引用计数管理),但性能略低、需注意循环引用

一个可用的简化版(带版本号 + shared_ptr辅助)

兼顾正确性与可读性:

  • 定义struct Node { T data; std::shared_ptr next; };
  • 栈顶用std::atomic<:shared_ptr>> head;
  • push时:new_node->next = head.load(); 再用CAS尝试更新head;失败则重试
  • pop时:用CAS将head替换为head->next,返回原head;shared_ptr自动管理内存,无需手动delete

该版本不完美(shared_ptr有开销,且严格意义上非纯Lock-Free因引用计数内部有锁),但在多数业务场景中足够安全实用。

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