Lock Free (无锁并发)

CAS( compare and swap) 原子操作，保证了如果需要更新的地址没有被其他进程(线程)改动过，那么它可以安全的写入。而这也是我们对于某个数据或者数据结构加锁要保护的内容，保证读写的一致性，不出现dirty data。可在循环中不断执行CAS，如果共享变量没有改变，那么swap，在当前环境中写入，否则继续do-while的Retry-Loop。

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

ABA问题最容易发生在lock free算法中的，地址被重用的情况

无锁相当于“锁”的粒度变小了，主要是“锁”HEAD和TAIL这两个关键资源。而不是整个数据结构。

无锁与自旋锁比较：

无锁

自旋锁

自旋锁与互斥锁比较：

1. 自旋锁不会使线程状态发生切换，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快

2. 互斥锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态，从而进入内核态，当获取到锁的时候需要从内核态恢复，需要线程上下文切换。 （线程被阻塞后便进入内核（Linux）调度状态，这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换，严重影响锁的性能）

• 自旋锁：线程获取锁的时候，如果锁被其他线程持有，则当前线程将循环等待，直到获取到锁。
• 自旋锁等待期间，线程的状态不会改变，线程一直是用户态并且是活动的(active)。
• 自旋锁如果持有锁的时间太长，则会导致其它等待获取锁的线程耗尽CPU。
• 自旋锁本身无法保证公平性，同时也无法保证可重入性。
• 基于自旋锁，可以实现具备公平性和可重入性质的锁。
• TicketLock:采用类似银行排号叫好的方式实现自旋锁的公平性，但是由于不停的读取serviceNum，每次读写操作都必须在多个处理器缓存之间进行缓存同步，这会导致繁重的系统总线和内存的流量，大大降低系统整体的性能。
• CLHLock和MCSLock通过链表的方式避免了减少了处理器缓存同步，极大的提高了性能，区别在于CLHLock是通过轮询其前驱节点的状态，而MCS则是查看当前节点的锁状态。

Mutex主要解决并发实体之间的互斥的问题，而semaphone主要解决并发实体之间的同步问题。针对一些临界区比较少，处理开销比较小，而且实时性要求比较高的场景可以使用spin_lock来替代mutex实现互斥, 而如果需要共享的数据只有一个字段，可以使用lock-free的方式来替代spin_lock从而达到更高的性能。

 

条件变量：

用wait和signal实现同步互斥，其中这两个操作需要用互斥量包裹，互斥锁+条件变量可以实现读写锁(多个读锁可以进入临界区，只有一个写锁进入临界区，读写锁同时只能有一种进入临界区)

条件变量是进程中的全局变量(针对线程)，信号量是系统中的全局变量(针对进程)

参考博客:

gaochundong

coolshell

IBM developer

自旋锁

CAS源码解读