CAS のみを使用して C 11 に ABA カウンターを実装するにはどうすればよいですか?

C 11 CAS を使用した ABA カウンターの実装

ロックフリー キューなどの特定の同時プログラミング シナリオでは、カウンターが重要な役割を果たしますABAの問題に対処する上で。この問題は、値が複数回更新されると発生し、カウンタが元の値に戻り、予期しない動作が発生する可能性があります。

C 11 CAS によるチャレンジ

C 11 同時実行ライブラリは、比較およびスワップ操作を実行するための std::atomic_compare_exchange_weak 関数を提供します。ただし、この関数には、ABA カウンターの実装に必要な、複数の値を同時にアトミックに更新する機能がありません。

解決策: Union Trick

この制限に対処するには、次のようにします。ユニオンを使用するトリックを使用して、2 つの値を 1 つのアトミック オブジェクトに結合できます。カウンタ値を 1 つのメンバーに格納し、次のノードへのポインタを 2 番目のメンバーに格納することで、これらの値へのアトミック性と同時アクセスの両方を実現できます。

Union によるアトミック操作

この共用体ベースのアプローチでは、std::atomic を使用して結合されたオブジェクトに対してアトミック操作を実行できます。これにより、次のような効率的なアセンブリ命令が生成されます。 x86-64 アーキテクチャ上の cmpxchg16b。この命令により、単一のアトミック操作で次のポインタとカウント値の両方を更新できます。

競合の回避

ソリューションの重要な側面は、別のメソッドを利用することです。次のポインターへの読み取り専用アクセスのための共用体メンバー。この最適化により、ポインターを更新せずに取得するだけでよい場合に、ロックされた cmpxchg16b 命令のオーバーヘッドが確実に回避されます。

課題

このアプローチは効率的なものを提供しますが、 C 11 CAS を使用して ABA カウンタを実装する方法では、アライメントとコンパイラのサポートについて慎重に検討する必要があります。さらに、GNU C での動作が保証されている共用体型のパニングに依存していますが、すべての ISO C コンパイラで完全にサポートされているわけではありません。

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