如何实现STL容器

这篇文章主要介绍了如何实现STL容器的相关知识，内容详细易懂，操作简单快捷，具有一定借鉴价值，相信大家阅读完这篇如何实现STL容器文章都会有所收获，下面我们一起来看看吧。

无锁对象（lock-free object）的正式定义如下 [Her91]：判断一个共享对象是否为无锁类型（非阻塞对象），就看它是否能确保一些线程在有限的系统步骤中完成某个操作，并且与其他线程的操作结果无关（即便其它线程操作没有成功）。一个更加严格的非等待对象（wait-free object）是这样定义的：判断某个对象是否为非等待，就看每个线程是否是在有限的步骤中完成了在该对象上的操作。无锁的条件是至少保证一个线程完成任务，而更苛刻的非等待条件则是要保证所有的线程都能成功完成任务。线性化（linearizability）在竞争数据结构上也有理论性的定义[Her90]，作为一种标准，在验证无锁算法正确性方面，发挥着重要作用。简而言之，算法是否为线性化的，就看算法完成之后的操作结果是否显而易见，不言自明。举个例子来说，只要插入函数完成，列表插入操作的结果就显而易见的。听起来很白痴，但没有人能想出某个算法做了一个列表插入，却不是线性化。再譬如，各种类型的缓存可能违反这种特性：我们先将一个新元素放入缓存中而非直接插入，接着命令其它线程“将该缓存中的此元素插入列表中”，直到此元素插入进去。或者只有当缓存中有相当数量的元素时，我们才做一次插入。那么插入函数执行完毕，我们依旧不能保证此元素在列表中。可以确定的是，此元素迟早会被插入到列表中。

下面是一个非常简单的代码实现：

struct Node {

        Node * m_pNext ;

}; 

class queue {

        Node * m_pHead ;

        Node * m_pTail ;

   public:

        queue(): m_pHead( NULL ), m_pTail( NULL ) {}

        void enqueue( Node * p )

        {

            p->m_pNext = m_pTail ;

            m_pTail = p ;

            if ( !m_pHead )

                m_pHead = p ;

        }

        Node * dequeue()

        {

            if ( !m_pHead ) return NULL ;

            Node * p = m_pHead ;

            m_pHead = p->m_pNext ;

            if ( !m_pHead )

                m_pTail = NULL ;

            return p ;

        }

};

甚至可以写得更简短一点，这就是无锁 Michael&Scott 队列经典算法实现。它看起来就像入队、出对方法（和压栈、弹出的意思相同）。（代码是libcds库类cds::intrusive::MSQueue简化版）

bool enqueue( value_type& val )

{

      node_type * pNew = node_traits::to_node_ptr( val );

 

      typename gc::Guard guard;

      back_off bkoff;

 

      node_type * t;

      while ( true ) {

           t = guard.protect( m_pTail, node_to_value() );

 

           node_type * pNext = t->m_pNext.load(memory_model::memory_order_acquire);

           if ( pNext != null_ptr<node_type *>() ) {

                // Tail is misplaced, advance it

                m_pTail.compare_exchange_weak( t, pNext, memory_model::memory_order_release,

                                               CDS_ATOMIC::memory_order_relaxed );

                continue;

           }

 

          node_type * tmp = null_ptr<node_type *>() ;

          if ( t->m_pNext.compare_exchange_strong( tmp, pNew, memory_model::memory_order_release,

                   CDS_ATOMIC::memory_order_relaxed ))

          {

                    break;

          }

          bkoff();

     }

    ++m_ItemCounter;

 

    m_pTail.compare_exchange_strong( t, pNew, memory_model::memory_order_acq_rel,

                                     CDS_ATOMIC::memory_order_relaxed );

 

    return true;  

}

 

value_type * dequeue()

{

     node_type * pNext;

     back_off bkoff;

     typename gc::template GuardArray<2> guards;

 

      node_type * h;

      while ( true ) {

           h = guards.protect( 0, m_pHead, node_to_value() );

           pNext = guards.protect( 1, h->m_pNext, node_to_value() );

           if ( m_pHead.load(memory_model::memory_order_relaxed) != h )

                continue;

 

           if ( pNext == null_ptr<node_type *>() )

                 return NULL; // empty queue

 

           node_type * t = m_pTail.load(memory_model::memory_order_acquire);

           if ( h == t ) {

                // It is needed to help enqueue

               m_pTail.compare_exchange_strong( t, pNext, memory_model::memory_order_release,

                                                CDS_ATOMIC::memory_order_relaxed );

               continue;

           }

 

           if ( m_pHead.compare_exchange_strong( h, pNext,

                     memory_model::memory_order_release, CDS_ATOMIC::memory_order_relaxed ))

           {

                    break;

           }

           bkoff();

     }

 

     --m_ItemCounter;

 

     dispose_node( h );

     return pNext;

}

这是一个很复杂的算法，相同的单向链表。不过即使大体比较一下，也能看出无锁队列的一些特征。在无锁队列中，我们可以找到如下描述：

• 无限循环：稍后我们会尝试执行这个操作，这是一个实现了原子性操作compare_exchange的典型模式；

• 局部变量的安全性（guards），需借助于无锁算法中安全内存收回方法。本例中，为风险指针（Hazard Pointers）方法；

• 采用C++11标准的原子性原语：load、compare_exchange以及内存栅栏（memory fences）memory_order_xxx;

• helping ：一种广泛存在于无锁算法中的方法，特别是在一个线程帮助其它线程去执行任务场景中；

• 补偿策略（functor bkoff）： 这不是必须的，但可以在连接很多的情况下缓解处理器的压力，尤其是多个线程逐个地调用队列时。

关于“如何实现STL容器”这篇文章的内容就介绍到这里，感谢各位的阅读！相信大家对“如何实现STL容器”知识都有一定的了解，大家如果还想学习更多知识，欢迎关注亿速云行业资讯频道。