Liblfds 循環バッファ キューはどのようにして部分的なロックフリーの進行保証を実現するのですか?

循環バッファー キューにおけるロックフリーの進行状況保証

この記事では、マルチプロデューサー/マルチコンシューマの境界付きキューの実装liblfds.

ロックフリー アルゴリズムの進行保証

ロックフリー アルゴリズムにより、少なくとも 1 つのスレッドが他のスレッドによって妨げられることなく前進できることが保証されます。 。これらは、あるスレッドが続行する前に別のスレッドに依存する状況を防ぎ、潜在的なデッドロックや行き詰まりを排除します。

Liblfds のキュー実装

liblfds のキュー実装はリングバッファ データを使用します。アトミックな書き込みおよび読み取りインデックスを持つ構造。キュー内の各スロットには、ユーザー データ フィールドとシーケンス番号が含まれており、ABA の問題を防ぐエポック カウンターとして機能します。

PUSH および POP 操作

PUSHこの操作には、書き込みインデックスのアトミックなロード、CompareAndSwap ループを使用したスロットの予約、予約されたスロットへのユーザー データのコピー、そして最後にシーケンス番号の更新が含まれます。 POP 操作は、スロットのシーケンス番号が読み取りインデックスに 1 を加えたものと一致するまで続行できません。

ロックフリーの資格

キューの実装では、ロックとしての資格について疑問が生じます。 PUSH 操作は、シーケンス番号が更新されるまで POP 操作ではアクセスできないスロットを予約しているように見えるため、空きです。これにより、POP 操作が PUSH 操作の完了に依存するという依存関係が導入されます。

機能プロパティ

キューの実装には、ロックフリー構造の特定の機能上の利点があります。

• 部分的なコンテキストスイッチ耐性: スレッドが書き込みインデックス間で停止した場合、他のスレッドをブロックする可能性があります。更新とシーケンス番号の更新を行うと、他のスレッドは停止した要素まで要素のプッシュまたはポップを続行できます。
• シグナル ハンドラーの互換性: キューには割り込みハンドラーまたはシグナル ハンドラーから安全にアクセスでき、要素のプッシュまたはポップが可能になります。

パフォーマンスプロパティ

この実装は、妥当なパフォーマンス特性を提供します。

• 競合のない良好なパフォーマンス: 競合のないパスには、高価な 1 つの CompareAndSwap 操作といくつかのメモリ バリアが含まれます。
• スケーラブルな競合パフォーマンス: 書き込みインデックスの競合が予想されますが、CAS を通じて効率的に管理されます。
• 中程度のコンテキスト切り替え耐性: キューが一定レベルの満杯に達すると、クリティカル セクション中のスレッドのコンテキスト切り替えにより、コンシューマ スレッドに問題が発生する可能性があります。

機能制限

実装にはいくつかの機能制限があります。

• 不完全な非同期スレッド終了の安全性: クリティカル セクション中の非同期スレッド終了の場合、キューは矛盾した状態のままになる可能性があります。
• 部分的なシグナル ハンドラーの互換性: クリティカルな処理中にスレッドが中断された場合、シグナル ハンドラーはキューを完全に排出できません。

結論

liblfds のキュー実装は、通常、ロックフリー構造に関連するいくつかの機能的およびパフォーマンス上の利点を提供しますが、厳密に準拠しているわけではありません。 PUSH 操作中のスロット予約によって導入される依存関係によるロックフリー アルゴリズムの定義。

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