c++如何实现一个简单的软件事务内存(STM)_c++并发控制新思路【实验性】-C++-PHP中文网

c++如何实现一个简单的软件事务内存(STM)_c++并发控制新思路【实验性】

裘德小鎮的故事

发布： 2025-12-14 13:23:02

原创

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用C++可实现轻量级STM，核心是版本号验证+本地日志+提交时冲突检测，读路径无锁、乐观并发，适合教学与嵌入式场景，但需手动管理读写集且非生产就绪。

c++如何实现一个简单的软件事务内存(stm)_c++并发控制新思路【实验性】

用 C++ 实现一个“简单但可用”的软件事务内存（STM）是完全可行的，核心不在于替代工业级方案（如 libcds 或 TL2），而在于理解 STM 的关键机制：读写隔离、冲突检测、原子提交与回滚。下面是一个轻量、无锁（读路径无锁）、基于乐观并发的实验性 STM 实现思路，适合学习和小规模嵌入式/教学场景。

核心设计：版本化 + 本地缓存 + 提交时验证

每个共享变量附加一个全局递增的版本号（version_t），事务执行时：

读操作：记录变量当前版本号，并缓存其值（避免重复读）
写操作：只写入事务私有日志（write_log），不直接修改原变量
提交前：遍历所有读集，检查对应变量版本是否未变；若全部通过，再按顺序将写日志原子写入，并 bump 全局版本
失败则丢弃日志，重试（可加退避）

关键组件实现（C++17 风格）

以下为最小可行代码骨架（省略异常安全与内存序细节，实际需补充）：

struct versioned_value {
    mutable std::atomic<size_t> version{0};
    mutable std::mutex mtx;
    std::any data;
<pre class='brush:php;toolbar:false;'>template<typename T>
T read() const {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mtx);
    return std::any_cast<T>(data);
}

template<typename T>
void write(const T& v) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mtx);
    data = v;
    version.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
}

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};

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struct transaction { struct read_entry { size_t key; size_t ver; std::any val; }; struct write_entry { size_t key; std::any val; };

std::vector<read_entry> reads;
std::vector<write_entry> writes;
static inline std::atomic<size_t> global_clock{0};

bool commit(std::vector<versioned_value*>& shared_vars) {
    // Step 1: validate all reads
    for (auto& r : reads) {
        if (shared_vars[r.key]->version.load(std::memory_order_acquire) != r.ver)
            return false;
    }
    // Step 2: install writes (with bumped version)
    for (auto& w : writes) {
        shared_vars[w.key]->write(w.val);
    }
    return true;
}

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};

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使用方式：类似数据库的 try-commit 模式

用户不直接访问变量，而是包裹在事务块中：

// 假设有两个共享变量
versioned_value x, y;
std::vector<versioned_value*> vars = {&x, &y};
<p>for (int retry = 0; retry < 10; ++retry) {
transaction t;
// 读取并记录版本
t.reads.push_back({0, x.version.load(), x.read<int>()});
t.reads.push_back({1, y.version.load(), y.read<int>()});</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>// 计算新值（纯内存操作）
int nx = std::any_cast<int>(t.reads[0].val) + 1;
int ny = std::any_cast<int>(t.reads[1].val) * 2;

// 写入日志（不改原值）
t.writes.push_back({0, nx});
t.writes.push_back({1, ny});

if (t.commit(vars)) {
    break; // success
}
std::this_thread::yield(); // or backoff

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}