C++实现Hazard Pointer与Reference Counting：解决Lock-free编程中的资源回收难题 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

C++ Lock-Free 编程中的资源回收：Hazard Pointer 与 Reference Counting

各位朋友，大家好！今天我们来探讨一个在 C++ Lock-Free 编程中至关重要，但又极具挑战性的问题：资源回收。

Lock-Free 编程，顾名思义，旨在避免使用锁来实现并发安全，从而提高程序的性能和响应能力。然而，在没有锁的保护下，一个线程可能正在访问某个数据结构，而另一个线程却试图释放该数据结构，这就可能导致严重的错误，例如悬挂指针和内存泄漏。

解决这个问题，需要我们引入一些巧妙的机制，其中 Hazard Pointer 和 Reference Counting 是两种常用的方法。本文将深入探讨这两种技术的原理、实现以及适用场景，帮助大家更好地理解和应用它们。

Lock-Free 编程中的资源回收难题

在传统的多线程编程中，锁可以确保在任何给定时刻只有一个线程可以访问共享资源。当一个线程想要释放一个资源时，它可以先获取锁，然后释放资源，最后释放锁。这样可以保证在释放资源时，没有其他线程正在访问该资源。

但是在 Lock-Free 编程中，我们不能使用锁。这意味着我们必须找到一种方法来确保在释放资源时，没有其他线程正在访问该资源，而且这个过程必须是 Lock-Free 的。

举个简单的例子，考虑一个 Lock-Free 链表：

struct Node {
  int data;
  Node* next;
};

std::atomic<Node*> head{nullptr};

// Lock-Free 插入节点
void insert(int data) {
  Node* newNode = new Node{data, head.load(std::memory_order_relaxed)};
  while (!head.compare_exchange_weak(newNode->next, newNode, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
}

// Lock-Free 删除节点 (简化版，仅删除头节点)
void remove() {
  Node* oldHead = head.load(std::memory_order_acquire);
  while (oldHead != nullptr && !head.compare_exchange_weak(oldHead, oldHead->next, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
  if (oldHead != nullptr) {
    delete oldHead; // 问题：可能有其他线程正在访问 oldHead
  }
}

在上面的 remove() 函数中，我们尝试删除链表的头节点。问题在于，在 delete oldHead 之前，可能有其他线程正在访问 oldHead 指向的节点。如果 delete oldHead 发生在其他线程访问 oldHead 的过程中，那么就会导致悬挂指针，从而导致程序崩溃或产生不可预测的行为。

这就是 Lock-Free 编程中资源回收的核心难题。我们需要一种机制来延迟释放资源，直到确认没有其他线程正在访问该资源。

Hazard Pointer：保护关键区域的利器

Hazard Pointer 是一种用于解决 Lock-Free 编程中资源回收问题的技术。它的核心思想是：每个线程维护一个或多个 Hazard Pointer，用于指向它当前正在访问的共享资源。当一个线程想要释放一个资源时，它会首先检查是否有任何线程的 Hazard Pointer 指向该资源。如果有，则延迟释放该资源，直到没有线程的 Hazard Pointer 指向该资源为止。

具体来说，Hazard Pointer 的工作流程如下：

声明 Hazard Pointer: 每个线程需要声明一个或多个 Hazard Pointer。这些 Hazard Pointer 通常存储在一个线程局部变量中。
设置 Hazard Pointer: 在访问共享资源之前，线程需要将自己的 Hazard Pointer 设置为指向该资源。
访问共享资源: 线程可以安全地访问被 Hazard Pointer 保护的共享资源。
清除 Hazard Pointer: 在完成对共享资源的访问后，线程需要清除自己的 Hazard Pointer。
延迟释放: 当一个线程想要释放一个资源时，它会首先将该资源标记为 "待释放"。然后，它会定期检查是否有任何线程的 Hazard Pointer 指向该资源。如果有，则继续延迟释放。如果没有，则可以安全地释放该资源。

下面是一个使用 Hazard Pointer 解决上述 Lock-Free 链表资源回收问题的示例：

#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>
#include <iostream>

struct Node {
  int data;
  Node* next;
};

std::atomic<Node*> head{nullptr};

// Hazard Pointer 管理器
class HazardPointerManager {
 public:
  HazardPointerManager(int numHazards) : numHazards_(numHazards), hazardPointers_(numHazards) {}

  Node* getHazardPointer(int index) {
    return hazardPointers_[index].load(std::memory_order_relaxed);
  }

  void setHazardPointer(int index, Node* value) {
    hazardPointers_[index].store(value, std::memory_order_release);
  }

  void clearHazardPointer(int index) {
    hazardPointers_[index].store(nullptr, std::memory_order_release);
  }

 private:
  int numHazards_;
  std::vector<std::atomic<Node*>> hazardPointers_;
};

// 线程局部 Hazard Pointer 管理器
thread_local HazardPointerManager hazardManager(3); // 每个线程分配 3 个 Hazard Pointer

// Lock-Free 插入节点
void insert(int data) {
  Node* newNode = new Node{data, head.load(std::memory_order_relaxed)};
  while (!head.compare_exchange_weak(newNode->next, newNode, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
}

// 延迟释放列表
std::vector<Node*> deferredReclamationList;
std::mutex deferredReclamationMutex;

// 释放节点
void reclaimNode(Node* node) {
  delete node;
}

// 定期检查 Hazard Pointer 并释放节点
void reclaimNodes() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(deferredReclamationMutex); // 保证 deferredReclamationList 操作的线程安全

    if (deferredReclamationList.empty()) {
        return;
    }

    std::vector<Node*> safeToReclaim;
    for (Node* node : deferredReclamationList) {
        bool isSafe = true;
        for (int i = 0; i < std::thread::hardware_concurrency(); ++i) { // 遍历所有线程的 Hazard Pointer
            // 因为是线程局部变量，不能直接访问其他线程的 hazardManager
            // 这里需要一个全局的机制来访问所有线程的 Hazard Pointer
            // 为了简化，我们假设只有一个线程在运行，或者 Hazard Pointer 是全局的，可以访问
            // 实际应用中，需要更复杂的机制来管理所有线程的 Hazard Pointer
            // 例如，可以使用一个全局的 Hazard Pointer 管理器，或者使用 Epoch-Based Reclamation

            // 以下是简化版本，假设只有一个线程
            for (int j = 0; j < 3; ++j) {
                //Node* hazardPtr = hazardManager.getHazardPointer(j); // 错误，无法访问其他线程的 hazardManager
                //if (hazardPtr == node) {
                //    isSafe = false;
                //    break;
                //}
                // 为了简化，我们注释掉 Hazard Pointer 的检查，直接释放节点
                // 实际应用中，不能这样做，必须正确地检查 Hazard Pointer
            }
            //if (!isSafe) {
            //    break;
            //}
        }

        if (isSafe) {
            safeToReclaim.push_back(node);
        }
    }

    // 释放安全的节点
    for (Node* node : safeToReclaim) {
        reclaimNode(node);
        auto it = std::find(deferredReclamationList.begin(), deferredReclamationList.end(), node);
        if (it != deferredReclamationList.end()) {
            deferredReclamationList.erase(it);
        }
    }
}

// Lock-Free 删除节点 (使用 Hazard Pointer)
void remove() {
  Node* oldHead = head.load(std::memory_order_acquire);
  if(oldHead == nullptr) return;

  // 设置 Hazard Pointer
  hazardManager.setHazardPointer(0, oldHead);
  Node* currentHead = head.load(std::memory_order_acquire); // 再次读取 head 确保在设置 Hazard Pointer 之后没有被修改
  if (oldHead != currentHead) { // 检查 head 是否已经被其他线程修改
    hazardManager.clearHazardPointer(0); // 清除 Hazard Pointer
    return; //放弃删除
  }

  while (oldHead != nullptr && !head.compare_exchange_weak(oldHead, oldHead->next, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));

  hazardManager.clearHazardPointer(0); // 清除 Hazard Pointer

  if (oldHead != nullptr) {
    // 延迟释放
      std::lock_guard<std::mutex> lock(deferredReclamationMutex);
      deferredReclamationList.push_back(oldHead);
  }
}

int main() {
  // 创建多个线程并执行插入和删除操作
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.emplace_back([&]() {
      for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
        insert(j);
        remove();
      }
    });
  }

  // 等待所有线程完成
  for (auto& thread : threads) {
    thread.join();
  }

  // 清理延迟释放的节点
    reclaimNodes();
  return 0;
}

代码解释:

HazardPointerManager: 这是一个Hazard Pointer 管理器，负责管理线程局部 Hazard Pointer。 numHazards_ 定义了每个线程可以使用的 Hazard Pointer 的数量。 hazardPointers_ 是一个原子指针数组，用于存储 Hazard Pointer。 getHazardPointer(), setHazardPointer(), 和 clearHazardPointer() 方法用于访问和修改 Hazard Pointer。
thread_local HazardPointerManager hazardManager(3);: 为每个线程创建一个 Hazard Pointer 管理器，并分配 3 个 Hazard Pointer。
remove() 函数:
- 在删除节点之前，它会首先使用 hazardManager.setHazardPointer(0, oldHead) 将 Hazard Pointer 设置为指向 oldHead。
- 然后，它会使用 head.compare_exchange_weak() 尝试删除节点。
- 如果删除成功，它会使用 hazardManager.clearHazardPointer(0) 清除 Hazard Pointer。
- 最后，它会将 oldHead 添加到延迟释放列表 deferredReclamationList 中。
reclaimNodes() 函数: 这个函数定期检查延迟释放列表中的节点，并释放那些没有被任何 Hazard Pointer 指向的节点。 需要注意的是，这个示例中，Hazard Pointer 的检查被简化了，实际应用中需要更复杂的机制来管理所有线程的 Hazard Pointer，例如 Epoch-Based Reclamation。
deferredReclamationList 和 deferredReclamationMutex: deferredReclamationList 用于存储待释放的节点。 deferredReclamationMutex 用于保护 deferredReclamationList 的线程安全。

Hazard Pointer 的优点：

相对简单易懂。
适用于读多写少的场景。

Hazard Pointer 的缺点：

需要维护 Hazard Pointer，会带来一定的性能开销。
需要定期扫描 Hazard Pointer，以释放不再使用的资源。
当线程数量很多时，扫描 Hazard Pointer 的开销会变得很大。
正确实现 Hazard Pointer 比较困难，容易出错。特别是在多线程环境下，需要仔细考虑内存序和原子操作。
需要确定每个线程需要多少个 Hazard Pointer。分配过少可能导致资源无法及时释放，分配过多则会增加内存开销。

Reference Counting：跟踪对象的引用数量

Reference Counting 是一种更通用的资源管理技术，它不仅可以用于 Lock-Free 编程，还可以用于其他并发编程场景。它的核心思想是：每个对象维护一个引用计数器，用于记录当前有多少个线程正在引用该对象。当一个线程开始引用该对象时，引用计数器加 1。当一个线程不再引用该对象时，引用计数器减 1。当引用计数器变为 0 时，表示该对象不再被任何线程引用，可以安全地释放该对象。

在 C++ 中，我们可以使用 std::shared_ptr 来实现 Reference Counting。std::shared_ptr 是一个智能指针，它可以自动管理对象的生命周期。当 std::shared_ptr 指向一个对象时，该对象的引用计数器加 1。当 std::shared_ptr 销毁时，该对象的引用计数器减 1。当引用计数器变为 0 时，std::shared_ptr 会自动释放该对象。

下面是一个使用 std::shared_ptr 解决上述 Lock-Free 链表资源回收问题的示例：

#include <atomic>
#include <memory>
#include <iostream>

struct Node {
  int data;
  std::shared_ptr<Node> next;
};

std::atomic<std::shared_ptr<Node>> head{nullptr};

// Lock-Free 插入节点
void insert(int data) {
  std::shared_ptr<Node> newNode = std::make_shared<Node>(Node{data, head.load(std::memory_order_relaxed)});
  while (!head.compare_exchange_weak(newNode->next, newNode, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
}

// Lock-Free 删除节点 (简化版，仅删除头节点)
void remove() {
  std::shared_ptr<Node> oldHead = head.load(std::memory_order_acquire);
  while (oldHead != nullptr && !head.compare_exchange_weak(oldHead, oldHead->next, std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
  // oldHead 的引用计数器会自动减 1，当引用计数器变为 0 时，oldHead 指向的节点会被自动释放
}

int main() {
    // 创建多个线程并执行插入和删除操作
    std::vector<std::thread> threads;
    for (int i = 0; i < 4; ++i) {
        threads.emplace_back([&]() {
            for (int j = 0; j < 1000; ++j) {
                insert(j);
                remove();
            }
        });
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }

    return 0;
}

代码解释:

我们使用 std::shared_ptr<Node> 来管理 Node 对象的生命周期。
在 insert() 函数中，我们使用 std::make_shared<Node>() 来创建一个 Node 对象，并将其包装在 std::shared_ptr 中。
在 remove() 函数中，我们不需要手动释放 oldHead 指向的节点。当 oldHead 的引用计数器变为 0 时，std::shared_ptr 会自动释放该节点。

Reference Counting 的优点：

简单易用，不需要手动管理内存。
可以自动释放不再使用的资源。
适用于各种并发编程场景。

Reference Counting 的缺点：

会带来一定的性能开销，因为需要维护引用计数器。
无法解决循环引用的问题。如果两个或多个对象相互引用，那么它们的引用计数器永远不会变为 0，从而导致内存泄漏。
引用计数器的更新需要原子操作，在高并发场景下可能会成为性能瓶颈。

Hazard Pointer vs. Reference Counting：选择合适的工具

Hazard Pointer 和 Reference Counting 都是解决 Lock-Free 编程中资源回收问题的有效技术，但它们各有优缺点，适用于不同的场景。

特性	Hazard Pointer	Reference Counting
实现复杂度	相对复杂，需要手动管理 Hazard Pointer 和延迟释放列表。	相对简单，可以使用 `std::shared_ptr` 等智能指针自动管理引用计数器。
性能开销	Hazard Pointer 的性能开销主要来自于 Hazard Pointer 的维护和定期扫描。在高并发场景下，扫描 Hazard Pointer 的开销可能会变得很大。	Reference Counting 的性能开销主要来自于引用计数器的更新。在高并发场景下，引用计数器的原子更新可能会成为性能瓶颈。
循环引用	不受循环引用的影响。	无法解决循环引用的问题，可能会导致内存泄漏。
适用场景	适用于读多写少的场景，例如 Lock-Free 数据结构的读取操作。	适用于各种并发编程场景，例如对象的共享和传递。
内存管理控制	提供了更细粒度的内存管理控制，可以自定义延迟释放策略。	内存管理自动化程度高，但控制能力较弱。

总的来说：

如果你的应用场景是读多写少，并且对性能要求非常高，那么 Hazard Pointer 可能是一个更好的选择。
如果你的应用场景比较复杂，需要处理各种对象的共享和传递，那么 Reference Counting 可能是一个更简单的选择。

在实际应用中，你还可以将 Hazard Pointer 和 Reference Counting 结合起来使用，以充分发挥它们的优势。

其他资源回收技术

除了 Hazard Pointer 和 Reference Counting 之外，还有一些其他的资源回收技术，例如：

Epoch-Based Reclamation (EBR): EBR 是一种基于时间片的资源回收技术。它将时间划分为不同的 Epoch，每个线程记录它当前所在的 Epoch。当一个线程想要释放一个资源时，它会首先检查是否有任何线程正在访问该资源。如果有，则延迟释放该资源，直到所有线程都离开了该资源所在的 Epoch 为止。EBR 通常比 Hazard Pointer 具有更好的性能，但也更复杂。
Read-Copy-Update (RCU): RCU 是一种无锁的并发编程技术，它允许在读取共享资源的同时更新该资源。RCU 的核心思想是：在更新共享资源时，首先创建一个新的副本，然后将指针指向新的副本。在更新指针之前，旧的副本仍然可以被其他线程读取。当所有线程都完成了对旧副本的读取后，可以安全地释放旧副本。RCU 适用于读多写少的场景，并且对延迟非常敏感。

选择哪种资源回收技术，取决于具体的应用场景和性能要求。

结语：解决资源回收难题，构建更健壮的 Lock-Free 程序

今天我们深入探讨了 Lock-Free 编程中资源回收的难题，并介绍了 Hazard Pointer 和 Reference Counting 这两种常用的解决方案。希望通过今天的分享，大家对 Lock-Free 编程中的资源回收有了更深入的理解。

解决 Lock-Free 编程中的资源回收问题是一项具有挑战性的任务，但也是构建高性能、高可靠性并发程序的关键。通过选择合适的资源回收技术，并仔细考虑内存序和原子操作，我们可以构建出更加健壮的 Lock-Free 程序。未来，随着并发编程技术的不断发展，相信会有更多更高效的资源回收技术出现，让我们拭目以待！

几句话概括本文

本文深入探讨了 Lock-Free 编程中资源回收的关键问题，详细介绍了 Hazard Pointer 和 Reference Counting 两种主流技术，并比较了它们的优缺点及适用场景。选择合适的资源回收策略是构建高效且可靠的 Lock-Free 并发程序的关键。

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