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C++如何实现一个简单的无锁单向链表数据结构(基于原子操作)

星浩君_7836

星浩君_7836

发布时间:2026-07-02 14:49:01

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来源于php中文网

原创

不能直接用 std::atomic 操作链表节点指针,因其仅原子读写指针本身,无法解决 ABA 问题和内存提前释放导致的未定义行为,需配合内存序与安全回收机制(如 Hazard Pointer)或接受泄漏式实现。

c++如何实现一个简单的无锁单向链表数据结构(基于原子操作)

为什么不能直接用 std::atomic<t></t> 操作链表节点指针

因为 std::atomic<t></t> 只能原子地读写指针本身,但插入或删除节点时往往需要「读取当前头指针 → 计算新节点地址 → 写回新头指针」三步,这构成典型的 ABA 问题温床:中间若被其他线程修改又改回原值,compare_exchange_weak 会误判成功。更关键的是,单纯原子指针无法保证节点内存不被提前释放——比如某线程刚读到旧头节点,另一线程已将其 delete,此时解引用就是未定义行为。

所以必须配合内存序控制 + 安全内存回收机制(如 HP — Hazard Pointer),但「简单无锁链表」通常默认只实现逻辑正确插入/查找,暂不处理内存回收。这意味着:你得自己确保所有节点生命周期长于任何可能的并发访问,或者接受「泄漏式」实现(开发/测试可用,生产慎用)。

插入操作必须用 compare_exchange_weak 循环重试

单向链表头插是最易实现的无锁操作,核心是用 CAS 原子更新头指针。但不能只调用一次 compare_exchange_weak 就完事——失败后必须重新读取最新头指针,再构造新节点,否则会丢失并发修改。

  • next 字段必须声明为 std::atomic<node></node>(而非裸指针),否则其他线程看到的可能是未完全写入的指针值
  • 插入前需对新节点的 next 字段先写入当前头指针,且该写入需用 memory_order_relaxed 即可(因后续 CAS 会带更强序)
  • CAS 使用 memory_order_acq_rel:既保证之前写操作对其他线程可见,也保证之后读操作能看到其他线程的写结果
struct Node {
    int data;
    std::atomic<Node*> next{nullptr};
};
<p>class LockFreeSinglyList {
std::atomic<Node<em>> head{nullptr};
public:
void push(int val) {
Node</em> newNode = new Node{val, nullptr};
Node* oldHead = head.load(std::memory_order_acquire);
do {
newNode->next.store(oldHead, std::memory_order_relaxed);
} while (!head.compare_exchange_weak(oldHead, newNode,
std::memory_order_acq_rel,
std::memory_order_acquire));
}
};

查找操作可以只用 load(memory_order_acquire)

查找不修改结构,只需遍历。只要每个 next 读取都用 memory_order_acquire,就能保证看到该节点创建时所写的全部内容(如 data),不会读到撕裂值。注意:这里不涉及修改,所以无需 CAS,也不怕 ABA。

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  • 不能用 memory_order_relaxed 读 next,否则可能看到陈旧的 data 值(编译器/CPU 重排导致读 data 在读 next 之前)
  • 遍历时要检查指针非空,且每次读 next 都需独立 load,不能缓存局部变量后反复用(除非加 volatile 或显式 reload)
bool find(int val) const {
    Node* curr = head.load(std::memory_order_acquire);
    while (curr != nullptr) {
        if (curr->data == val) return true;
        curr = curr->next.load(std::memory_order_acquire);
    }
    return false;
}

删除操作在「简单实现」里几乎必然引入竞态或内存错误

真正安全的无锁删除必须解决两个问题:如何原子地标记节点为「已删除」、如何安全回收内存。简易版本常跳过标记步骤,直接 CAS 头指针,但这仅对头节点有效,且仍需处理 ABA 和释放时机。

如果你真要支持任意节点删除,就绕不开 HP 或 RCU;而若只删头节点,仍需注意:compare_exchange_weak 成功后,旧头节点可能正被其他线程遍历,立刻 delete 会导致 use-after-free。所以「简单」实现中,要么禁止删除(只 push/find),要么明确文档说明:调用 pop() 后用户需自行保证无人再访问返回节点。

  • 头删代码看似和 push 对称,但返回的 oldHead 指针已脱离链表,不可再被其他线程通过链表路径访问 —— 这个前提只有在单线程消费或严格同步下才成立
  • 如果多个线程可能同时 pop,必须用类似 push 的循环 CAS,且 delete 必须延迟到确认无任何线程持有该指针为止

没做安全内存回收的无锁链表,最易被忽略的不是算法逻辑,而是「谁负责释放内存、何时释放、有没有人还在用」——这比写对 CAS 循环难得多。

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