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 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].

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.

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.