共享内存并发：使用 `dart:ffi` 操作原子变量实现无锁队列

使用 dart:ffi 操作原子变量实现无锁队列

大家好，今天我们要深入探讨一个高级主题：如何利用 dart:ffi 操作原子变量来实现无锁队列。这是一种在并发编程中非常有效的技术，尤其是在需要高性能且避免锁竞争的场景下。我们将从概念、实现、到性能考量，逐步剖析这个过程。

1. 无锁队列的概念和优势

1.1 什么是无锁队列？

无锁队列是一种并发数据结构，它允许多个线程或协程在不使用锁的情况下安全地进行入队和出队操作。传统的基于锁的队列，在并发访问时需要加锁来保证数据一致性，这会导致线程阻塞和上下文切换，从而降低性能。无锁队列通过使用原子操作（Atomic Operations）来避免这些问题。

1.2 为什么选择无锁队列？

• 更高的并发性能： 避免了锁竞争，减少了线程阻塞和上下文切换的开销。
• 更好的实时性： 由于避免了锁的持有时间不确定性，可以提供更可预测的响应时间。
• 避免死锁： 无锁队列不存在死锁的风险，因为没有锁的存在。

1.3 无锁队列的挑战

• 复杂性： 无锁算法通常比基于锁的算法更复杂，需要更仔细的设计和实现。
• ABA问题： 在某些情况下，需要处理ABA问题，以保证数据一致性。
• 内存管理： 需要仔细考虑内存管理，避免内存泄漏和野指针。

2. dart:ffi 和原子操作

2.1 dart:ffi 简介

dart:ffi (Dart Foreign Function Interface) 是 Dart 提供的一种机制，允许 Dart 代码直接调用 C 语言编写的动态链接库（DLL 或 SO）。这使得 Dart 可以利用 C 语言的性能优势，访问底层系统资源，或者使用现有的 C/C++ 库。

2.2 为什么要使用 dart:ffi 操作原子变量？

Dart 本身并没有内置的原子操作 API。虽然 Dart 的 isolate 模型提供了一种并发机制，但 isolate 之间的通信是基于消息传递的，这在某些高性能场景下可能成为瓶颈。通过 dart:ffi 调用 C 语言的原子操作 API，可以实现更高效的并发数据结构。

2.3 C 语言原子操作 API

C11 标准引入了 <stdatomic.h> 头文件，提供了原子操作 API。常用的原子操作包括：

• atomic_load: 原子读取一个值。
• atomic_store: 原子写入一个值。
• atomic_exchange: 原子交换两个值。
• atomic_compare_exchange_weak: 原子比较并交换值 (弱版本，可能失败)。
• atomic_compare_exchange_strong: 原子比较并交换值 (强版本，保证成功，但可能循环重试)。
• atomic_fetch_add: 原子加法。
• atomic_fetch_sub: 原子减法。

2.4 dart:ffi 设置

首先需要配置pubspec.yaml文件，添加ffi依赖：

dependencies:
  ffi: ^2.1.0 # 使用最新版本

3. 无锁队列的实现：基于链表

我们选择基于链表的无锁队列实现，因为它相对简单，易于理解，并且可以扩展到更复杂的场景。

3.1 数据结构设计

我们需要定义以下数据结构：

• Node: 队列中的节点，包含数据和一个指向下一个节点的指针。
• Queue: 队列本身，包含一个指向队首的指针和一个指向队尾的指针。

3.2 C 代码实现 (atomic_queue.c)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdatomic.h>
#include <stdint.h>

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

typedef struct Queue {
    atomic_uintptr_t head; // 使用 atomic_uintptr_t 存储指针
    atomic_uintptr_t tail;
} Queue;

// 创建一个新的队列
Queue* create_queue() {
    Queue* queue = (Queue*)malloc(sizeof(Queue));
    if (queue == NULL) {
        return NULL;
    }
    Node* dummy = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (dummy == NULL) {
        free(queue);
        return NULL;
    }
    dummy->next = NULL;
    atomic_init(&queue->head, (uintptr_t)dummy);
    atomic_init(&queue->tail, (uintptr_t)dummy);
    return queue;
}

// 入队操作
int enqueue(Queue* queue, int data) {
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (new_node == NULL) {
        return -1; // 内存分配失败
    }
    new_node->data = data;
    new_node->next = NULL;

    Node* tail;
    Node* next;

    while (1) {
        tail = (Node*)atomic_load(&queue->tail);
        next = (Node*)atomic_load(&((atomic_uintptr_t)tail->next)); // tail->next 指针

        if (tail != (Node*)atomic_load(&queue->tail)) {
            continue; // 其他线程修改了 tail，重试
        }

        if (next != NULL) {
            // 另一个线程已经插入了一个节点
            atomic_compare_exchange_strong(&queue->tail, (uintptr_t*)&tail, (uintptr_t)next);
            continue;
        }

        if (atomic_compare_exchange_weak(&((atomic_uintptr_t)tail->next), (uintptr_t*)&next, (uintptr_t)new_node)) {
            // 成功将新节点添加到 tail->next
            atomic_compare_exchange_weak(&queue->tail, (uintptr_t*)&tail, (uintptr_t)new_node); // 更新 tail，可以失败
            return 0; // 成功入队
        }
    }
}

// 出队操作
int dequeue(Queue* queue, int* data) {
    Node* head;
    Node* tail;
    Node* next;

    while (1) {
        head = (Node*)atomic_load(&queue->head);
        tail = (Node*)atomic_load(&queue->tail);
        next = (Node*)atomic_load(&((atomic_uintptr_t)head->next));

        if (head != (Node*)atomic_load(&queue->head)) {
            continue; // 其他线程修改了 head，重试
        }

        if (head == tail) {
            if (next == NULL) {
                return -1; // 队列为空
            }
            // 另一个线程正在入队
            atomic_compare_exchange_strong(&queue->tail, (uintptr_t*)&tail, (uintptr_t)next);
            continue;
        }

        if (atomic_compare_exchange_weak(&queue->head, (uintptr_t*)&head, (uintptr_t)next)) {
            // 成功将 head 指向下一个节点
            *data = next->data;
            free(head); // 释放旧的 head 节点
            return 0; // 成功出队
        }
    }
}

// 销毁队列
void destroy_queue(Queue* queue) {
    Node* current = (Node*)atomic_load(&queue->head);
    while (current != NULL) {
        Node* next = (Node*)atomic_load(&((atomic_uintptr_t)current->next));
        free(current);
        current = next;
    }
    free(queue);
}

3.3 Dart 代码实现 (main.dart)

import 'dart:ffi';
import 'dart:io';
import 'dart:isolate';

// 定义 C 数据结构
final class Node extends Struct {
  @Int32()
  external int data;

  external Pointer<Node> next;
}

final class Queue extends Struct {
  external Pointer<Uint64> head; // atomic_uintptr_t in C
  external Pointer<Uint64> tail; // atomic_uintptr_t in C
}

// 加载动态链接库
final DynamicLibrary atomicQueueLib = Platform.isAndroid
    ? DynamicLibrary.open("libatomic_queue.so")
    : DynamicLibrary.open("atomic_queue.dylib"); // 或者 .so for Linux

// 定义 C 函数签名
typedef CreateQueueFunc = Pointer<Queue> Function();
typedef EnqueueFunc = Int32 Function(Pointer<Queue>, Int32);
typedef DequeueFunc = Int32 Function(Pointer<Queue>, Pointer<Int32>);
typedef DestroyQueueFunc = Void Function(Pointer<Queue>);

// 获取 C 函数的 Dart 版本
final CreateQueueFunc createQueue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Pointer<Queue> Function()>>('create_queue')
    .asFunction();
final EnqueueFunc enqueue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Int32 Function(Pointer<Queue>, Int32)>>('enqueue')
    .asFunction();
final DequeueFunc dequeue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Int32 Function(Pointer<Queue>, Pointer<Int32>)>>('dequeue')
    .asFunction();
final DestroyQueueFunc destroyQueue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Void Function(Pointer<Queue>)>>('destroy_queue')
    .asFunction();

void main() async {
  // 创建队列
  final queue = createQueue();

  // 入队
  enqueue(queue, 10);
  enqueue(queue, 20);
  enqueue(queue, 30);

  // 出队
  final dataPtr = calloc<Int32>();
  dequeue(queue, dataPtr);
  print("Dequeued: ${dataPtr.value}"); // 输出: Dequeued: 10
  calloc.free(dataPtr);

  // 销毁队列
  destroyQueue(queue);

  print("Queue operations completed.");

  //并发测试
  await concurrentTest();
}

Future<void> concurrentTest() async{
    final queue = createQueue();
    final int numIsolates = 4;
    final int numItems = 1000;

    List<Future<void>> futures = [];

    for (int i = 0; i < numIsolates; i++) {
      futures.add(Isolate.run(() => enqueueItems(queue, i * numItems, numItems)));
    }

    await Future.wait(futures);

    int dequeuedSum = 0;
    final dataPtr = calloc<Int32>();
    int dequeueResult;

    while ((dequeueResult = dequeue(queue, dataPtr)) == 0) {
      dequeuedSum += dataPtr.value;
    }
    calloc.free(dataPtr);

    destroyQueue(queue);

    int expectedSum = 0;
    for (int i = 0; i < numIsolates * numItems; i++) {
      expectedSum += i;
    }

    if (dequeuedSum == expectedSum) {
      print("Concurrent test passed!");
    } else {
      print("Concurrent test failed. Expected sum: $expectedSum, Actual sum: $dequeuedSum");
    }
}

void enqueueItems(Pointer<Queue> queue, int start, int count) {
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    enqueue(queue, start + i);
  }
}

3.4 编译 C 代码

你需要将 C 代码编译成动态链接库。 根据你的操作系统，使用不同的命令。

• macOS: gcc -shared -o atomic_queue.dylib atomic_queue.c
• Linux: gcc -shared -o libatomic_queue.so atomic_queue.c -lpthread -latomic
• Windows: (需要 MinGW) gcc -shared -o atomic_queue.dll atomic_queue.c

编译时请确保加上 -lpthread 和 -latomic 链接库，用于支持线程和原子操作。

3.5 关键代码解释

• atomic_uintptr_t: 在 C 代码中，使用 atomic_uintptr_t 来存储指针，保证指针的原子操作。
• atomic_compare_exchange_weak 和 atomic_compare_exchange_strong: 使用 CAS (Compare-and-Swap) 操作来实现无锁更新。 atomic_compare_exchange_weak 可能会虚假失败（即使值没有改变），而 atomic_compare_exchange_strong 会循环重试直到成功。 在更新尾指针的操作中使用weak版本即可。
• ABA 问题: 这个简单的链表实现没有显式地处理 ABA 问题。 在更复杂的场景下，可能需要使用版本号或其他机制来解决。

4. 性能考量和优化

4.1 内存管理

• 手动内存管理: dart:ffi 需要手动管理内存，使用 malloc 分配内存，使用 free 释放内存。 务必确保内存分配和释放的正确性，避免内存泄漏。
• 内存池: 可以使用内存池来减少内存分配和释放的开销。
• Dart GC: 由于Node结构体在C侧，Dart的GC无法直接管理这些内存，因此需要手动释放，否则会造成内存泄露。

4.2 缓存行对齐

• 缓存行伪共享: 在多核 CPU 上，如果多个线程访问的数据位于同一个缓存行，可能会导致缓存行伪共享，从而降低性能。 可以通过填充数据来保证每个线程访问的数据位于不同的缓存行。

4.3 避免不必要的原子操作

• 局部变量: 尽可能使用局部变量来减少原子操作的次数。 例如，可以在循环中先将数据存储在局部变量中，然后在循环结束后再进行一次原子更新。

4.4 编译器优化

• 编译选项: 使用合适的编译器选项来优化 C 代码，例如 -O3 启用最高级别的优化。
• 内联函数: 可以使用内联函数来减少函数调用的开销。

5. ABA 问题

5.1 什么是 ABA 问题？

ABA 问题是指一个值从 A 变为 B，然后再变回 A。 在并发环境中，如果一个线程在读取一个值 A 后，另一个线程将其修改为 B，然后再改回 A，那么第一个线程可能会认为该值没有改变，从而导致错误的操作。

5.2 如何解决 ABA 问题？

• 版本号: 为每个值关联一个版本号。 每次修改值时，同时增加版本号。 在进行 CAS 操作时，同时比较值和版本号。
• Hazard Pointer: Hazard Pointer 是一种用于垃圾回收的机制，也可以用于解决 ABA 问题。 每个线程维护一个 Hazard Pointer，指向它正在访问的对象。 垃圾回收器在回收对象时，需要检查是否有线程正在访问该对象。
• Double Compare-and-Swap (DCAS): DCAS 允许同时比较和交换两个值。 可以使用 DCAS 同时比较值和版本号。

6. 其他无锁数据结构

除了无锁队列，还有许多其他的无锁数据结构，例如：

• 无锁栈: 类似于无锁队列，但是只能在栈顶进行操作。
• 无锁哈希表: 允许并发地插入、删除和查找键值对。
• 无锁计数器: 允许并发地增加和减少计数器的值。

7. 代码示例

这是一个更完整的代码示例，包含了错误处理和更详细的注释。

atomic_queue.c:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdatomic.h>
#include <stdint.h>
#include <pthread.h> // For thread safety

// 定义节点结构体
typedef struct Node {
    int data;           // 节点数据
    struct Node* next;  // 指向下一个节点的指针
} Node;

// 定义队列结构体
typedef struct Queue {
    atomic_uintptr_t head; // 原子头指针
    atomic_uintptr_t tail; // 原子尾指针
} Queue;

// 创建队列
Queue* create_queue() {
    Queue* queue = (Queue*)malloc(sizeof(Queue));
    if (queue == NULL) {
        perror("Failed to allocate memory for queue");
        return NULL;
    }

    Node* dummy = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (dummy == NULL) {
        perror("Failed to allocate memory for dummy node");
        free(queue);
        return NULL;
    }
    dummy->next = NULL; // 初始化dummy节点
    atomic_init(&queue->head, (uintptr_t)dummy);
    atomic_init(&queue->tail, (uintptr_t)dummy);
    return queue;
}

// 入队
int enqueue(Queue* queue, int data) {
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (new_node == NULL) {
        perror("Failed to allocate memory for new node");
        return -1; // 返回错误码
    }
    new_node->data = data;
    new_node->next = NULL;

    Node* tail;
    Node* next;

    while (1) {
        tail = (Node*)atomic_load(&queue->tail); // 读取尾指针
        next = (Node*)atomic_load(&((atomic_uintptr_t)tail->next)); // 读取尾节点的next指针

        if (tail != (Node*)atomic_load(&queue->tail)) {
            // 尾指针被其他线程修改，重试
            continue;
        }

        if (next != NULL) {
            // 另一个线程已经插入了节点，尝试帮助其完成
            atomic_compare_exchange_strong(&queue->tail, (uintptr_t*)&tail, (uintptr_t)next);
            continue;
        }

        // 尝试将新节点添加到队尾
        if (atomic_compare_exchange_weak(&((atomic_uintptr_t)tail->next), (uintptr_t*)&next, (uintptr_t)new_node)) {
            // 添加成功，尝试更新尾指针
            atomic_compare_exchange_weak(&queue->tail, (uintptr_t*)&tail, (uintptr_t)new_node);
            return 0; // 成功返回
        }
        // CAS 失败，重试
    }
}

// 出队
int dequeue(Queue* queue, int* data) {
    Node* head;
    Node* tail;
    Node* next;

    while (1) {
        head = (Node*)atomic_load(&queue->head); // 读取头指针
        tail = (Node*)atomic_load(&queue->tail); // 读取尾指针
        next = (Node*)atomic_load(&((atomic_uintptr_t)head->next)); // 读取头节点的next指针

        if (head != (Node*)atomic_load(&queue->head)) {
            // 头指针被其他线程修改，重试
            continue;
        }

        if (head == tail) {
            // 队列可能为空，或者正在被入队
            if (next == NULL) {
                // 队列为空
                return -1; // 队列为空，返回错误码
            }
            // 另一个线程正在进行入队，尝试帮助其完成
            atomic_compare_exchange_strong(&queue->tail, (uintptr_t*)&tail, (uintptr_t)next);
            continue;
        }

        // 尝试更新头指针
        if (atomic_compare_exchange_weak(&queue->head, (uintptr_t*)&head, (uintptr_t)next)) {
            // 更新成功
            *data = next->data; // 返回数据
            free(head); // 释放旧的头节点
            return 0; // 成功返回
        }
        // CAS 失败，重试
    }
}

// 销毁队列
void destroy_queue(Queue* queue) {
    Node* current = (Node*)atomic_load(&queue->head);
    while (current != NULL) {
        Node* next = (Node*)atomic_load(&((atomic_uintptr_t)current->next));
        free(current);
        current = next;
    }
    free(queue);
}

main.dart:

import 'dart:ffi';
import 'dart:io';
import 'dart:isolate';

// 定义 C 数据结构
final class Node extends Struct {
  @Int32()
  external int data;

  external Pointer<Node> next;
}

final class Queue extends Struct {
  external Pointer<Uint64> head; // atomic_uintptr_t in C
  external Pointer<Uint64> tail; // atomic_uintptr_t in C
}

// 加载动态链接库
final DynamicLibrary atomicQueueLib = Platform.isAndroid
    ? DynamicLibrary.open("libatomic_queue.so")
    : DynamicLibrary.open("atomic_queue.dylib"); // 或者 .so for Linux

// 定义 C 函数签名
typedef CreateQueueFunc = Pointer<Queue> Function();
typedef EnqueueFunc = Int32 Function(Pointer<Queue>, Int32);
typedef DequeueFunc = Int32 Function(Pointer<Queue>, Pointer<Int32>);
typedef DestroyQueueFunc = Void Function(Pointer<Queue>);

// 获取 C 函数的 Dart 版本
final CreateQueueFunc createQueue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Pointer<Queue> Function()>>('create_queue')
    .asFunction();
final EnqueueFunc enqueue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Int32 Function(Pointer<Queue>, Int32)>>('enqueue')
    .asFunction();
final DequeueFunc dequeue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Int32 Function(Pointer<Queue>, Pointer<Int32>)>>('dequeue')
    .asFunction();
final DestroyQueueFunc destroyQueue = atomicQueueLib
    .lookup<NativeFunction<Void Function(Pointer<Queue>)>>('destroy_queue')
    .asFunction();

void main() async {
  // 创建队列
  final queue = createQueue();
  if (queue == Pointer.fromAddress(0)) {
    print("Failed to create queue.");
    return;
  }

  // 入队
  int enqueueResult1 = enqueue(queue, 10);
  if (enqueueResult1 != 0) {
    print("Enqueue failed with error code: $enqueueResult1");
  }
  int enqueueResult2 = enqueue(queue, 20);
    if (enqueueResult2 != 0) {
    print("Enqueue failed with error code: $enqueueResult2");
  }
  int enqueueResult3 = enqueue(queue, 30);
    if (enqueueResult3 != 0) {
    print("Enqueue failed with error code: $enqueueResult3");
  }

  // 出队
  final dataPtr = calloc<Int32>();
  int dequeueResult = dequeue(queue, dataPtr);
  if (dequeueResult == 0) {
    print("Dequeued: ${dataPtr.value}"); // 输出: Dequeued: 10
  } else {
    print("Dequeue failed with error code: $dequeueResult");
  }
  calloc.free(dataPtr);

  // 销毁队列
  destroyQueue(queue);

  print("Queue operations completed.");

  //并发测试
  await concurrentTest();
}

Future<void> concurrentTest() async{
    final queue = createQueue();
    final int numIsolates = 4;
    final int numItems = 1000;

    List<Future<void>> futures = [];

    for (int i = 0; i < numIsolates; i++) {
      futures.add(Isolate.run(() => enqueueItems(queue, i * numItems, numItems)));
    }

    await Future.wait(futures);

    int dequeuedSum = 0;
    final dataPtr = calloc<Int32>();
    int dequeueResult;

    while ((dequeueResult = dequeue(queue, dataPtr)) == 0) {
      dequeuedSum += dataPtr.value;
    }
    calloc.free(dataPtr);

    destroyQueue(queue);

    int expectedSum = 0;
    for (int i = 0; i < numIsolates * numItems; i++) {
      expectedSum += i;
    }

    if (dequeuedSum == expectedSum) {
      print("Concurrent test passed!");
    } else {
      print("Concurrent test failed. Expected sum: $expectedSum, Actual sum: $dequeuedSum");
    }
}

void enqueueItems(Pointer<Queue> queue, int start, int count) {
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    enqueue(queue, start + i);
  }
}

结论

利用 dart:ffi 操作原子变量实现无锁队列是一种高效的并发编程技术。 通过仔细的设计和实现，可以获得更高的性能和更好的实时性。 但是，需要仔细考虑内存管理、ABA 问题和性能优化等问题。 希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解和应用这项技术。 无锁队列实现比较复杂，对并发安全要求高，需要深入理解并发原理。