Wie erreicht die Liblfds-Zirkelpufferwarteschlange teilweise sperrenfreie Fortschrittsgarantien?

Sperrenfreie Fortschrittsgarantien in einer kreisförmigen Pufferwarteschlange

Dieser Artikel untersucht das Konzept der sperrenfreien Fortschrittsgarantien im Kontext von a Multi-Producer/Multi-Consumer-Implementierung einer begrenzten Warteschlange in liblfds.

Fortschrittsgarantien in Sperrenfreie Algorithmen

Sperrenfreie Algorithmen stellen sicher, dass mindestens ein Thread in der Lage ist, voranzukommen, ohne von anderen Threads behindert zu werden. Sie verhindern Situationen, in denen ein Thread auf einen anderen angewiesen ist, bevor er fortfährt, und beseitigen so potenzielle Deadlocks und Pattsituationen.

Die Warteschlangenimplementierung in Liblfds

Die Warteschlangenimplementierung in liblfds verwendet Ringpufferdaten Struktur mit atomaren Schreib- und Leseindizes. Jeder Slot in der Warteschlange enthält ein Benutzerdatenfeld und eine Sequenznummer, die als Epochenzähler dient, um ABA-Probleme zu verhindern.

PUSH- und POP-Operationen

Der PUSH Der Vorgang umfasst das atomare Laden des Schreibindex, das Reservieren eines Slots mithilfe einer CompareAndSwap-Schleife, das Kopieren von Benutzerdaten in den reservierten Slot und schließlich das Aktualisieren der Sequenznummer. Der POP-Vorgang kann erst fortgesetzt werden, wenn die Sequenznummer des Steckplatzes mit dem Leseindex plus eins übereinstimmt.

Sperrfreie Qualifikation

Die Warteschlangenimplementierung wirft Fragen zu ihrer Qualifikation als sperrenfrei auf. frei, da die PUSH-Operation scheinbar einen Slot reserviert, auf den die POP-Operation erst zugreifen kann, wenn die Sequenznummer aktualisiert wird. Dies führt zu einer Abhängigkeit, bei der der POP-Vorgang auf den Abschluss des PUSH-Vorgangs angewiesen ist.

Funktionale Eigenschaften

Die Warteschlangenimplementierung bietet bestimmte funktionale Vorteile sperrenfreier Strukturen:

• Teilweise Immunität gegen Kontextwechsel: Während ein Thread andere Threads blockieren kann, wenn er zwischen der Aktualisierung des Schreibindex und der Aktualisierung der Sequenznummer ins Stocken gerät, sind andere nicht zulässig Threads können weiterhin Elemente bis zum blockierten Element verschieben oder entfernen.
• Signal-Handler-Kompatibilität: Auf die Warteschlange kann sicher über Interrupt- oder Signal-Handler zugegriffen werden, sodass Elemente asynchron verschoben oder entfernt werden können.

Leistungseigenschaften

Die Implementierung bietet eine angemessene Leistung Eigenschaften:

• Gute unkonkurrierte Leistung: Der unkonkurrierte Pfad erfordert einen einzigen teuren CompareAndSwap-Vorgang und einige Speicherbarrieren.
• Skalierbare konkurrenzfähige Leistung: Konflikte auf dem Schreibindex werden erwartet, aber effizient verwaltet durch den CAS-Vorgang.
• Mäßige Immunität gegen Kontextwechsel: Kontextwechsel eines Threads in kritischen Abschnitten können zu Problemen für Verbraucher-Threads führen, wenn die Warteschlange erreicht wird ein gewisses Maß an Fülle.

Funktionelle Einschränkungen

Die Implementierung weist einige funktionale Einschränkungen auf:

• Unvollständige Sicherheit der asynchronen Thread-Beendigung: Im Falle einer asynchronen Thread-Beendigung in kritischen Abschnitten bleibt die Warteschlange möglicherweise in einem inkonsistenten Zustand.
• Teilweise Signal-Handler-Kompatibilität: Signal-Handler können die Warteschlange nicht vollständig entleeren, wenn ein Thread während eines kritischen Threads unterbrochen wird Abschnitt.

Fazit

Während die Warteschlangenimplementierung in liblfds einige Funktions- und Leistungsvorteile bietet, die normalerweise mit sperrenfreien Strukturen verbunden sind, entspricht sie nicht strikt diesen die Definition eines sperrfreien Algorithmus aufgrund der durch die Slotreservierung während der PUSH-Operation eingeführten Abhängigkeit.

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