0

0

C++如何实现无锁栈(Lock-Free Stack)?(CAS操作示例)

冰火之心

冰火之心

发布时间:2026-02-27 15:10:03

|

254人浏览过

|

来源于php中文网

原创

直接用 std::atomic 操作指针易出错,因标准不保证其 lock-free;节点须 trivially copyable、无虚函数/引用/非平凡析构;需运行时检查 is_lock_free(),防范 aba、内存序错误及节点复用风险。

c++如何实现无锁栈(lock-free stack)?(cas操作示例)

为什么直接用 std::atomic 操作指针会出错?

因为 C++ 标准不保证 std::atomic<t></t> 对任意自定义类型 T 的 CAS 操作是 lock-free 的,尤其当 T 含有非平凡析构函数或对齐要求时,is_lock_free() 很可能返回 false。底层可能退化为互斥锁模拟,彻底失去无锁意义。

  • 务必在运行时检查:stack_head.is_lock_free(),不能只看编译期 std::atomic<t>::is_always_lock_free</t>
  • 节点必须是 trivially copyable,且避免虚函数、引用、非平凡构造/析构——否则原子操作行为未定义
  • 典型翻车点:在节点里放 std::stringstd::vector,哪怕只是临时测试,也会让 compare_exchange_weak 静默失效

compare_exchange_weak 循环里为什么总要重读 head?

不是为了“更新变量”,而是因为 ABA 问题下,head 地址虽未变,但指向的对象可能已被释放又重用。CAS 成功只说明地址没被别人改过,不代表节点仍有效;循环开头重读,是配合后续的内存序与释放策略做安全判断。

  • 标准写法是把读 head 放在循环最外层,而不是只在 CAS 失败后读——否则漏掉并发 pop 导致的 head 变更
  • 必须搭配 memory_order_acquire(pop)和 memory_order_release(push),否则编译器/CPU 乱序会让其他线程看到节点成员未初始化的状态
  • 别用 compare_exchange_strong 替代:它在弱一致性平台上可能死循环,而 weak 的 spurious failure 正是用来规避总线争抢的

如何安全地复用已弹出的节点?

无锁里节点不能直接 delete,否则其他线程可能正用着旧指针。常见做法是延迟回收,但实现方式直接影响正确性。

HyperWrite
HyperWrite

AI写作助手帮助你创作内容更自信

下载
  • 最简方案:用 std::shared_ptr 包裹节点,push/pop 全用原子智能指针——但注意 std::atomic<:shared_ptr></:shared_ptr> 在 C++20 前不是标准支持,且引用计数本身有锁开销
  • 实用折中:自己维护一个 per-thread 的本地回收链表,配合 epoch-based reclamation(EBR)或 hazard pointer,但 EBR 实现稍重,hazard pointer 需额外管理指针注册
  • 最容易忽略的一点:即使用了 std::shared_ptr,也要确保所有线程对同一节点的访问都通过该智能指针,不能混用裸指针——否则引用计数失效

为什么 push 和 pop 的内存序不能都用 relaxed

因为 relaxed 内存序不提供同步语义,会导致其他线程看到节点数据(比如 data 字段)是未初始化的垃圾值,哪怕 CAS 已成功。

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

  • push 中写节点数据必须在 CAS 更新 head 之前,且用 memory_order_relaxed 写数据没问题,但 CAS 必须用 memory_order_release
  • pop 中读 head 后,必须用 memory_order_acquire 才能确保看到 push 时写入的完整节点内容
  • 如果平台是 x86,relaxed 有时也“碰巧”工作,但这属于架构巧合,换到 ARM 或 RISC-V 就立刻崩溃
真正难的不是写通 CAS 循环,而是确认每个节点生命周期是否被所有线程一致观察到——这取决于内存序、回收机制、节点布局三者严丝合缝的配合。少一环,就变成“看起来跑得通,压测半小时后随机 core”。

热门AI工具

更多
DeepSeek
DeepSeek

幻方量化公司旗下的开源大模型平台

豆包大模型
豆包大模型

字节跳动自主研发的一系列大型语言模型

通义千问
通义千问

阿里巴巴推出的全能AI助手

腾讯元宝
腾讯元宝

腾讯混元平台推出的AI助手

文心一言
文心一言

文心一言是百度开发的AI聊天机器人,通过对话可以生成各种形式的内容。

讯飞写作
讯飞写作

基于讯飞星火大模型的AI写作工具,可以快速生成新闻稿件、品宣文案、工作总结、心得体会等各种文文稿

即梦AI
即梦AI

一站式AI创作平台,免费AI图片和视频生成。

ChatGPT
ChatGPT

最最强大的AI聊天机器人程序,ChatGPT不单是聊天机器人,还能进行撰写邮件、视频脚本、文案、翻译、代码等任务。

相关专题

更多
string转int
string转int

在编程中,我们经常会遇到需要将字符串(str)转换为整数(int)的情况。这可能是因为我们需要对字符串进行数值计算,或者需要将用户输入的字符串转换为整数进行处理。php中文网给大家带来了相关的教程以及文章,欢迎大家前来学习阅读。

870

2023.08.02

堆和栈的区别
堆和栈的区别

堆和栈的区别:1、内存分配方式不同;2、大小不同;3、数据访问方式不同;4、数据的生命周期。本专题为大家提供堆和栈的区别的相关的文章、下载、课程内容,供大家免费下载体验。

427

2023.07.18

堆和栈区别
堆和栈区别

堆(Heap)和栈(Stack)是计算机中两种常见的内存分配机制。它们在内存管理的方式、分配方式以及使用场景上有很大的区别。本文将详细介绍堆和栈的特点、区别以及各自的使用场景。php中文网给大家带来了相关的教程以及文章欢迎大家前来学习阅读。

599

2023.08.10

线程和进程的区别
线程和进程的区别

线程和进程的区别:线程是进程的一部分,用于实现并发和并行操作,而线程共享进程的资源,通信更方便快捷,切换开销较小。本专题为大家提供线程和进程区别相关的各种文章、以及下载和课程。

721

2023.08.10

Java 并发编程高级实践
Java 并发编程高级实践

本专题深入讲解 Java 在高并发开发中的核心技术,涵盖线程模型、Thread 与 Runnable、Lock 与 synchronized、原子类、并发容器、线程池(Executor 框架)、阻塞队列、并发工具类(CountDownLatch、Semaphore)、以及高并发系统设计中的关键策略。通过实战案例帮助学习者全面掌握构建高性能并发应用的工程能力。

95

2025.12.01

数据库Delete用法
数据库Delete用法

数据库Delete用法:1、删除单条记录;2、删除多条记录;3、删除所有记录;4、删除特定条件的记录。更多关于数据库Delete的内容,大家可以访问下面的文章。

287

2023.11.13

drop和delete的区别
drop和delete的区别

drop和delete的区别:1、功能与用途;2、操作对象;3、可逆性;4、空间释放;5、执行速度与效率;6、与其他命令的交互;7、影响的持久性;8、语法和执行;9、触发器与约束;10、事务处理。本专题为大家提供相关的文章、下载、课程内容,供大家免费下载体验。

221

2023.12.29

Golang 实际项目案例:从需求到上线
Golang 实际项目案例:从需求到上线

《Golang 实际项目案例:从需求到上线》以真实业务场景为主线,完整覆盖需求分析、架构设计、模块拆分、编码实现、性能优化与部署上线全过程,强调工程规范与实践决策,帮助开发者打通从技术实现到系统交付的关键路径,提升独立完成 Go 项目的综合能力。

2

2026.02.26

Golang Web 开发路线:构建高效后端服务
Golang Web 开发路线:构建高效后端服务

《Golang Web 开发路线:构建高效后端服务》围绕 Go 在后端领域的工程实践,系统讲解 Web 框架选型、路由设计、中间件机制、数据库访问与接口规范,结合高并发与可维护性思维,逐步构建稳定、高性能、易扩展的后端服务体系,帮助开发者形成完整的 Go Web 架构能力。

5

2026.02.26

热门下载

更多
网站特效
/
网站源码
/
网站素材
/
前端模板

精品课程

更多
相关推荐
/
热门推荐
/
最新课程
国外Web开发全栈课程全集
国外Web开发全栈课程全集

共12课时 | 1万人学习

进程与SOCKET
进程与SOCKET

共6课时 | 0.4万人学习

关于我们 免责申明 举报中心 意见反馈 讲师合作 广告合作 最新更新
php中文网:公益在线php培训,帮助PHP学习者快速成长!
关注服务号 技术交流群
PHP中文网订阅号
每天精选资源文章推送

Copyright 2014-2026 https://www.php.cn/ All Rights Reserved | php.cn | 湘ICP备2023035733号