参考资料：
An Introduction to Lock-Free Programming
Weak vs. Strong Memory Models
透过 Linux 内核看无锁编程
阻塞型同步和非阻塞型同步
如何正确有效的保护共享数据是编写并行程序必须面临的一个难题，通常的手段就是同步。
同步可分为阻塞型同步（Blocking Synchronization）和非阻塞型同步（ Non-blocking Synchronization）。
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阻塞型同步是指当一个线程到达临界区时，因另外一个线程已经持有访问该共享数据的锁，从而不能获取锁资源而阻塞，直到另外一个线程释放锁。常见的同步原语有 mutex、semaphore 等。如果同步方案采用不当，就会造成死锁（deadlock），活锁（livelock）和优先级反转（priority inversion），以及效率低下等现象。
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为了降低风险程度和提高程序运行效率，业界提出了不采用锁的同步方案，依照这种设计思路设计的算法称为非阻塞型算法，其本质特征就是停止一个线程的执行不会阻碍系统中其他执行实体的运行。
当今比较流行的 Non-blocking Synchronization 实现方案有三种：
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Wait-free
Wait-free 是指任意线程的任何操作都可以在有限步之内结束，而不用关心其它线程的执行速度。 Wait-free 是基于 per-thread 的，可以认为是 starvation-free 的。非常遗憾的是实际情况并非如此，采用 Wait-free 的程序并不能保证 starvation-free，同时内存消耗也随线程数量而线性增长。目前只有极少数的非阻塞算法实现了这一点。
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Lock-free
Lock-Free 是指能够确保执行它的所有线程中至少有一个能够继续往下执行。由于每个线程不是 starvation-free 的，即有些线程可能会被任意地延迟，然而在每一步都至少有一个线程能够往下执行，因此系统作为一个整体是在持续执行的，可以认为是 system-wide 的。所有 Wait-free 的算法都是 Lock-Free 的。
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Obstruction-free
Obstruction-free 是指在任何时间点，一个孤立运行线程的每一个操作可以在有限步之内结束。只要没有竞争，线程就可以持续运行。一旦共享数据被修改，Obstruction-free 要求中止已经完成的部分操作，并进行回滚。 所有 Lock-Free 的算法都是 Obstruction-free 的。
Obstruction-free 是 Non-blocking synchronization 中性能最差的，而 Wait-free 性能是最好的，但实现难度也是最大的，因此 Lock-free 算法开始被重视，并广泛运用于当今正在运行的程序中，比如 linux 内核。
无锁编程（lock-free）
无锁是利用处理器的一些特殊的原子指令来避免传统并行编程中使用锁的一种技术。
实现lock free最重要的相关技术就是原子操作和控制memory order。
在现代的 CPU 处理器上，很多操作已经被设计为原子的，比如对齐读（Aligned Read）和对齐写（Aligned Write）等。Read-Modify-Write（RMW）操作的设计让执行更复杂的事务操作变成了原子操作，当有多个写入者想对相同的内存进行修改时，保证一次只执行一个操作。
RMW 操作在不同的 CPU 家族中是通过不同的方式来支持的：
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x86/64 和 Itanium 架构通过 Compare-And-Swap (CAS) 方式来实现
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PowerPC、MIPS 和 ARM 架构通过 Load-Link/Store-Conditional (LL/SC) 方式来实现
CAS
CAS负责将某处内存地址的值（1 个字节）与一个期望值进行比较，如果相等，则将该内存地址处的值替换为新值，CAS 操作伪码描述如下：
template <class T>
bool CAS(T* addr, T expected, T value)
{
if (*addr == expected)
{
*addr = value;
return true;
}
return false;
}
CAS操作的含义就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。
LL/SC
load-link与store-conditional (LL/SC)是一对用于并发同步访问内存的CPU指令。Load-link返回内存位置处的当前值，随后的store-conditional在该内存位置处保存新值（如果从load-link后没有被修改）。
LL/SC与CAS在理论上是等价的。
ABA问题
ABA问题是指由于进程切换导致状态变化的遗漏。
比如进程看到的变量是“A”，但其实可能已经经过多次状态变化了：“A->B->A”。
解决办法一般是增加一个引用计数字段。这样，CAS同时检查引用计数和目标内容两个值是否都没有发生变化。但麻烦的是引用计数字段也有一个溢出问题。
内存屏障（memory barrier）
程序员通过编程的方式保证某一部分代码的内存顺序，来限制指令的重排（reorder）。
又可以细分为编译器层面的compiler barrier，和处理器层面的runtime barrier。
禁止了编译器重排而处理器依然可以重排，所以个人觉得在多核系统中，compiler barrier没啥意义。
- 保证指令执行的顺序，内存屏障前的指令一定先于内存屏障后的指令
- 将write buffer的缓存行，立即刷新到内存中
标签：无锁,CAS,编程,free,同步,线程,内存,操作 来源： https://www.cnblogs.com/chenzhongjie/p/13303868.html
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