В предыдущих частях опуса (1, 2, 3) мы рассмотрели внутреннее строение lock-free map и убедились, что все основные операции — поиск, добавление и удаление ключа — могут быть выполнены без глобальных блокировок и даже в lock-free манере. Но стандартный std::map поддерживает ещё одну очень полезную абстракцию — итераторы. Возможно ли реализовать итерабельный lock-free map?
Ответ на этот вопрос — под катом.

Это последняя, на сегодняшний день, статья из цикла про внутреннее устройство конкурентных ассоциативных контейнеров. В предыдущих статьях рассматривались hash map, был построен алгоритм lock-free ordered list и контейнеры на его основе. За бортом остался один важный тип структур данных — деревья. Пришло время немного рассказать и о них.

Исследования, посвященные алгоритмам конкурентных деревьев, не требующих внешней синхронизации доступа к ним, начались довольно давно — в 70-х годах прошлого века, — и были инициированы развитием СУБД, поэтому касались в основном оптимизации страничных деревьев (B-tree и его модификации).

Развитие lock-free подхода в начале 2000-х не прошло мимо алгоритмов деревьев, но лишь недавно, в 2010-х годах, появилось множество действительно интересных работ по конкурентным деревьям. Алгоритмы деревьев довольно сложны, поэтому исследователям потребовалось время — порядка 10 лет — на их lock-free/non-blocking адаптацию. В данной статье мы рассмотрим самый простой случай — обычное бинарное дерево, даже не самобалансирующееся.

В предыдущих статьях (раз, два) мы рассматривали классический hash map с хеш-таблицей и списком коллизий. Был построен lock-free ordered list, который послужил нам основой для lock-free hash map.
К сожалению, списки характеризуются линейной сложностью поиска O(N), где N — число элементов в списке, так что наш алгоритм lock-free ordered list сам по себе представляет небольшой интерес при больших N.
Или все же представляет?..

Пройдем по следам C++ 2015 Russia далее.
В предыдущей статье мы рассмотрели алгоритм для lock-free ordered list и на его основе сделали простейший lock-free hash map. У этого hash map есть недостаток: размер хеш-таблицы постоянен и не может быть изменен в процессе роста числа элементов в контейнере. Это не представляет проблемы, если мы заранее примерно представляем требуемый объем контейнера. А если нет?

Мне оказали честь — пригласили выступить на первой конференции C++ 2015 Russia 27-28 февраля. Я был насколько наглым, что запросил 2 часа на выступление вместо положенного одного и заявил тему, наиболее меня интересующую — конкурентные ассоциативные контейнеры. Это hash set/map и деревья. Организатор sermp пошел навстречу, за что ему большое спасибо.
Как подготовиться ко столь ответственному испытанию выступлению? Первое — нарисовать презентацию, то есть кучу картинок, желательно близко к теме. Но надо ещё и два часа озвучивать картинки, — как все это запомнить? Как избежать глубокомысленных «ээээмммм», «здесь мы видим», «на этом слайде показано», несвязных прыжков повествования и прочих вещей, характеризующих выступающего c не очень хорошей стороны в части владения родным языком (это я про русский, с C++ я разобрался быстро — никакого кода в презентации, только картинки)?
Конечно, надо записать свои мысли, глядя на слайды. А если что-то написано, то не худо бы и опубликовать. А если публиковать, — то на хабре.
Итак, по следам C++ 2015 Russia! Авторское изложение, надеюсь, без авторского косноязычия, без купюр и с отступлениями по теме, написанное до наступления события, в нескольких частях.

Со времени предыдущего поста из жизни lock-free контейнеров прошло немало времени. Я рассчитывал быстро написать продолжение трактата об очередях, но вышла заминка: о чем писать, я знал, но реализации на C++ этих подходов у меня не было. «Не годится писать о том, что сам не попробовал», — подумал я, и в результате я попытался реализовать в libcds новые алгоритмы очередей.
Сейчас настал момент, когда я могу аргументированно продолжить свой цикл. В данной статье закончим с очередями.

Кратко напомню, на чем я остановился. Были рассмотрены несколько интересных алгоритмов lock-free очередей, а под занавес приведены результаты их работы на некоторых синтетических тестах. Главный вывод — всё плохо! Надежды на то, что lock-free подход на магическом compare-and-swap (CAS) даст нам пусть не линейный, но хотя бы какой-то рост производительности с увеличением числа потоков, не оправдались. Очереди не масштабируются. В чем причина?..

Как вы, наверное, догадались, эта статья посвящена lock-free очередям.

Очереди бывают разные. Они могут различаться по числу писателей (producer) и читателей (consumer) – single/multi producer — single/multi consumer, 4 варианта, — они могут быть ограниченными (bounded, на основе предраспределенного буфера) и неограниченными, на основе списка (unbounded), с поддержкой приоритетов или без, lock-free, wait-free или lock-based, со строгим соблюдением FIFO (fair) и не очень (unfair) и т.д. Подробно типы очередей описаны в этой и этой статьях Дмитрия Вьюкова. Чем более специализированы требования к очереди, тем, как правило, более эффективным оказывается её алгоритм. В данной статье я рассмотрю самый общий вариант очередей — multi-producer/multi-consumer unbounded concurrent queue без поддержки приоритетов.

В предыдущих своих заметках я описал основу, на которой строятся lock-free структуры данных, и базовые алгоритмы управления временем жизни элементов lock-free структур данных. Это была прелюдия к описанию собственно lock-free контейнеров. Но далее я столкнулся с проблемой: как построить дальнейший рассказ? Просто описывать известные мне алгоритмы? Это довольно скучно: много [псевдо-]кода, обилие деталей, важных, конечно, но весьма специфических. В конце концов, это есть в опубликованных работах, на которые я даю ссылки, и в гораздо более подробном и строгом изложении. Мне же хотелось рассказать интересно об интересных вещах, показать пути развития подходов к конструированию конкурентных контейнеров.
Хорошо, — подумал я, — тогда метод изложения должен быть такой: берем какой-то тип контейнера — очередь, map, hash map, — и делаем обзор известных на сегодняшний день оригинальных алгоритмов для этого типа контейнера. С чего начать? И тут я вспомнил о самой простой структуре данных — о стеке.

В этой статье я продолжу знакомить хабрасообщество с техниками, обеспечивающими написание lock-free контейнеров, попутно рекламируя (надеюсь, не слишком навязчиво) свою библиотеку libcds.

Речь пойдет об ещё одной технике безопасного освобождения памяти для lock-free контейнеров — RCU. Эта техника существенно отличается от рассмотренных ранее алгоритмов a la Hazard Pointer.

Read – Copy Update (RCU) – техника синхронизации, предназначенная для «почти read-only», то есть редко изменяемых, структур данных. Типичными примерами такой структуры являются map и set – в них большинство операций является поиском, то есть чтением данных. Считается, что для типичного map'а более 90% вызываемых операций — это поиск по ключу, поэтому важно, чтобы операция поиска была наиболее быстрой; синхронизация поиска в принципе не нужна — читатели при отсутствии писателей могут работать параллельно. RCU обеспечивает наименьшие накладные расходы как раз для read-операций.

Откуда взялось название Read – Copy Update? Первоначально идея была очень проста: есть некоторая редко изменяемая структура данных. Если нам требуется изменить её, то мы делаем её копию и производим изменение — добавление или удаление данных — именно в копии. При этом параллельные читатели работают с первоначальной, не измененной структурой. В некоторый безопасный момент времени, когда нет читателей, мы можем подменить структуру данных на измененную копию. В результате все последующие читатели будут видеть изменения, произведенные писателем.

Как я упоминал в своих предыдущих заметках, основными трудностями при реализации lock-free структур данных являются ABA-проблема и удаление памяти. Я разделяю эти две проблемы, хоть они и связаны: дело в том, что существуют алгоритмы, решающие только одну из них.
В этой статье я дам обзор известных мне методов безопасного удаления памяти (safe memory reclamation) для lock-free контейнеров. Демонстрировать применение того или иного метода я буду на классической lock-free очереди Майкла-Скотта [MS98].

В предыдущей статье мы заглянули внутрь процессора, пусть и гипотетического. Мы выяснили, что для корректного выполнения параллельного кода процессору необходимо подсказывать, до каких пределов ему разрешено проводить свои внутренние оптимизации чтения/записи. Эти подсказки – барьеры памяти. Барьеры памяти позволяют в той или иной мере упорядочить обращения к памяти (точнее, кэшу, — процессор взаимодействует с внешним миром только через кэш). “Тяжесть” такого упорядочения может быть разной, — каждая архитектура может предоставлять целый набор барьеров “на выбор”. Используя те или иные барьеры памяти, мы можем построить разные модели памяти — набор гарантий, которые будут выполняться для наших программ.

В этой статье мы рассмотрим модель памяти C++11.

В этой статье я даю краткий обзор того, как применять библиотеку lock-free структур данных libcds. В реализацию я углубляться здесь не буду, — это просто взгляд извне, взгляд со стороны пользователя библиотеки.

Библиотека libcds имеет свою точку зрения на многие известные структуры данных. Отчасти это объясняется целевой областью – lock-free структуры данных довольно минималистичны по набору предоставляемых методов, — отчасти желанием выйти за ограничения и решения стандартной библиотеки STL. Что из этого получилось – решать пользователям libcds.

Кому интересно – добро пожаловать под кат

Как только я заинтересовался lock-free алгоритмами, меня стал мучить вопрос – а откуда взялась необходимость в барьерах памяти, в «наведении порядка» в коде?
Конечно, прочитав несколько тысяч страниц руководств по конкретной архитектуре, мы найдем ответ. Но этот ответ будет годен для этой конкретной архитектуры. Есть ли общий? В конце концов, мы же хотим, чтобы наш код был портабелен. Да и модель памяти C++11 не заточена под конкретный процессор.
Наиболее приемлемый общий ответ дал мне мистер Paul McKenney в своей статье 2010 года Memory Barriers: a Hardware View of Software Hackers. Ценность его статьи – в общности: он построил некоторую упрощенную абстрактную архитектуру, на примере которой и разбирает, что такое барьер памяти и зачем он был введен.
Вообще, Paul McKenney – известная личность. Он является разработчиком и активным пропагандистом технологии RCU, которая активно используется в ядре Linux, а также реализована в последней версии libcds в качестве ещё одного подхода к безопасному освобождению памяти (вообще, о RCU я хотел бы рассказать отдельно). Также принимал участие в работе над моделью памяти C++11.
Статья большая, я даю перевод только первой половины. Я позволил себе добавить некоторые комментарии, [которые выделены в тексте так].

Построение lock-free структур данных зиждется на двух китах – атомарных операциях и способах упорядочения доступа к памяти. В этой статье речь пойдет об атомарности и атомарных примитивах.

Анонс. Спасибо за теплый прием Начал! Вижу, что тема lock-free интересна хабрасообществу, это меня радует. Я планировал построить цикл по академическому принципу, плавно переходя от основ к алгоритмам, попутно иллюстрируя текст кодом из libcds. Но часть читателей требует зрелищ не мешкая показать, как пользоваться библиотекой, особо не рассусоливая. Я согласен, в этом есть свой резон. В конечном счете, и мне не так интересно, что там внутри boost, — опишите, как его применять! Поэтому свой эпический цикл я разделю на три части: Основы, Внутри и Извне. Каждая статья эпопеи будет относится к одной из частей. В Основах будет рассказываться о низкоуровневых вещах, вплоть до строения современных процессоров; это часть для почемучек вроде меня. Внутри будет освещать интересные алгоритмы и подходы в мире lock-free, — это скорее теория о том, как реализовать lock-free структуру данных, libcds будет неисчерпаемым источником C++ кода. В Извне будут статьи о практике применения libcds, — программные решения, советы и FAQ. Извне будет питаться вашими вопросами/замечаниями/предложениями, дорогие хабражители.

А пока я судорожно готовлю начало Извне, — первая часть Основ. Статья во многом не о C++ (хотя и о нем тоже) и даже не о lock-free (хотя без atomic lock-free алгоритмы неработоспособны), а о реализации атомарных примитивов в современных процессорах и о базовых проблемах, возникающих при использовании таких примитивов.
Атомарность — это первый круг ада низкий уровень из двух.

Я надеюсь, что эта статья станет началом цикла заметок о lock-free структурах данных. Я хочу поделиться с хабрасообществом своим опытом, наблюдениям и размышлениями о том, что такое lock-free структуры данных, как их реализовывать, подходят ли концепции контейнеров стандартной библиотеки STL к lock-free контейнерам, и когда стоит (и стоит ли вообще) применять lock-free структуры данных.

В этом руководстве я расскажу, как написать собственную виртуальную машину (VM), способную запускать программы на ассемблере, такие как 2048 (моего друга) или Roguelike (моя). Если вы умеете программировать, но хотите лучше понять, что происходит внутри компьютера и как работают языки программирования, то этот проект для вас. Написание собственной виртуальной машины может показаться немного страшным, но я обещаю, что тема удивительно простая и поучительная.

Окончательный код составляет около 250 строк на C. Достаточно знать лишь основы C или C++, такие как двоичная арифметика. Для сборки и запуска подходит любая Unix-система (включая macOS). Несколько API Unix используются для настройки ввода и отображения консоли, но они не являются существенными для основного кода. (Реализация поддержки Windows приветствуется).

Примечание: эта VM — грамотная программа. То есть вы прямо сейчас уже читаете её исходный код! Каждый фрагмент кода будет показан и подробно объяснён, так что можете быть уверены: ничего не упущено. Окончательный код создан сплетением блоков кода. Репозиторий проекта тут.

И снова мы разбираемся как не писать прошивки для микроконтроллеров. Прошлая статья вызвала у людей много эмоций и, мне кажется, осталось мало кем понята и, может быть, мной плохо было объяснено зачем это все вообще затевалось.

Здравствуйте, меня зовут Евгений, и мне надоело писать прошивки для микроконтроллеров. Как это это случилось и что с этим делать, давайте разберемся.

Если вдруг вам потребуется отлаживать несколько микроконтроллеров/микропроцессоров в Крыму, попивая смузи из душного офиса в Химках. Если микропроцессорная плата находится на подвижном объекте и нет возможности дотянуть до нее JTAG отладчик (плата находится на воздушном шарике/квадрокоптере). Если вдруг просто требуется гальваническая изоляция между хостом и отлаживаемой платой (допустим, высоковольтное устройство). И хорошо, что бы еще дешево, сердито и универсально к производителю(STM,Broadcom, Xilinx, etc) или архитектуре(ARM, MIPS, FPGA, etc). Тогда вам потребуется роутер, да-да, просто роутер, допустим, вот такой.

Введение

Всех приветствую. Сегодня хочу поделиться опытом и всё-таки по-моему внятно объяснить про такой, на первый взгляд, простой стандарт для USB 2.0 хост-контроллера.

Изначально можно представить себе что USB 2.0 порт — это всего лишь 4 пина, по двум из которых просто передаются данные(Как, к примеру, COM-порт), но самом деле всё не так, и даже совсем наоборот. USB-контроллер в принципе не даёт нам возможности передавать данные как через обычный COM-порт. EHCI — довольно замысловатый стандарт, который позволяет обеспечить надежную и быструю передачу данных от софта до самого девайса, и в обратную сторону.

Возможно, вам пригодиться эта статья, если, к примеру, вы не имеете достаточных навыков написания драйверов и чтение документации к хардвейру. Простой пример: хотите написать свою ОС для мини-ПК, дабы какая-нибудь винда или очередной дистрибутив линукса не загружали железо, и вы использовали всю его мощь исключительно в своих целях.