哈喽，各位好！今天咱们聊聊C++里那些个让人头疼，但又不得不面对的内存回收问题，特别是它在无锁算法中的应用。说白了，就是如何在保证程序并发性能的同时，不让内存泄露，也不让程序崩溃。今天的主角就是“Hazard Pointers”和“RCU”（Read-Copy-Update）。 开场白：无锁算法的诱惑与挑战 想象一下，你站在一个繁忙的十字路口，各种车辆川流不息。如果只有一个交警指挥，效率肯定不高。无锁算法就像是取消了交警，让车辆（线程）自己按照规则行驶，避免了锁带来的性能瓶颈。 但是，没有交警，就得担心车辆乱撞（数据竞争），更得担心路面维护（内存管理）。如果一辆车开走后，路面就被拆了，那后面的车肯定要掉坑里！ 这就是无锁算法中内存回收的难题。 问题来了：内存回收的“死亡时间” 在多线程环境下，一个线程可能正在读取某个数据结构，而另一个线程可能已经删除了这个数据结构。如果读取线程继续访问被删除的内存，就会导致程序崩溃，或者更隐蔽的错误。 所以，内存回收的关键在于找到一个“死亡时间”，在这个时间之后，才能安全地回收内存。这个“死亡时间”必须晚于所有可能访问该内存的线程完成访问的时间。 Ha …
C++ `RCU` (Read-Copy Update) 算法：高并发无锁读写场景的实现与应用
哈喽，各位好！今天咱们聊聊一个听起来有点高大上，但实际上原理挺简单的并发编程技巧——RCU，也就是Read-Copy Update。别害怕，虽然名字里有“Update”，但它其实是个读多写少的场景神器，能让你在高并发环境下实现无锁的读取操作，听起来是不是就很激动人心？ 一、RCU：名字很唬人，原理很简单 RCU，顾名思义，就是“读-复制-更新”。它的核心思想是： 读（Read）： 读取数据时，不需要加锁，直接读。 复制（Copy）： 修改数据时，先复制一份数据的副本。 更新（Update）： 修改副本，然后用修改后的副本替换旧数据。 是不是感觉有点像影子替身术？旧数据还在，新数据已经准备好了，然后瞬间切换，给人的感觉就是数据被更新了，但实际上旧数据还在某个地方待命。 二、为什么RCU能做到无锁读取？ 关键就在于“旧数据待命”。RCU依赖于一个很重要的概念——宽限期（Grace Period）。 宽限期： 指的是所有已经开始的读取操作都已经完成的时期。 也就是说，在宽限期内，可以确定之前启动的所有读取操作都已经结束，没有线程还在读取旧数据了。这个时候，我们就可以安全地释放旧数据占用的内存 …
C++ Lock-Free 数据结构的形式化验证：数学证明其正确性
哈喽，各位好！今天咱们来聊聊一个听起来就让人头大的话题：C++ Lock-Free 数据结构的形式化验证。别害怕，虽然听起来像在解高数题，但我们会尽量用大白话把它讲明白，目标是让大家听完之后，能对这个领域有个初步的了解，甚至能撸起袖子写几行验证代码。 为什么要折腾 Lock-Free？ 首先，咱们得搞清楚为啥要用 Lock-Free 数据结构。传统的加锁方式虽然简单粗暴，但性能瓶颈也显而易见。想象一下，一群人排队上厕所，一个人锁门，其他人干等着，效率能高吗？ Lock-Free 就像一群人一起上厕所，每个人都尽量不影响别人，这样总体效率就提高了。当然，实现起来也更复杂，更容易出BUG。 特性 加锁 (Lock-Based) 无锁 (Lock-Free) 并发 悲观并发 乐观并发 阻塞 会阻塞 不阻塞 实现难度 相对简单 复杂 性能 锁竞争时性能差 锁竞争少时性能好 死锁/活锁 存在 不存在 形式化验证：不能靠感觉，要靠数学！ Lock-Free 数据结构的难点在于并发环境下各种操作的交错执行。靠肉眼检查或者简单的单元测试，很难覆盖所有可能的执行路径。这就需要形式化验证出马了。 形式化验 …
C++ `std::atomic` 内存顺序：`seq_cst`, `acquire`, `release`, `relaxed` 的精确选择
哈喽，各位好！今天咱们来聊聊 C++ std::atomic 的内存顺序，这玩意儿听起来高大上，其实就是告诉编译器和 CPU，你别太浪，有些事情得按规矩来。咱们的目标是搞清楚 seq_cst、acquire、release 和 relaxed 这四个小家伙，看看在不同的场景下，该选哪个才能让程序既跑得快，又不会莫名其妙地出错。 一、为啥需要内存顺序？ 首先，得明白为啥需要内存顺序。现在的 CPU 都很聪明，为了提高效率，它们会乱序执行指令，还会用各种缓存。编译器也不闲着，也会优化代码，把指令挪来挪去。这些优化在单线程环境下通常没问题，但在多线程环境下，就可能出幺蛾子了。 举个例子，假设有两个线程： 线程 A：设置一个标志位 flag = true 线程 B：检查 flag，如果为 true，就执行一些操作 如果没有内存顺序的约束，编译器或 CPU 可能把线程 A 里的 flag = true 挪到其他指令后面执行，或者线程 B 里的 flag 检查提前到其他指令前面执行。结果就是，线程 B 可能在 flag 还没被设置的时候就执行了操作，导致程序出错。 内存顺序就是用来告诉编译器和 C …
继续阅读“C++ `std::atomic` 内存顺序：`seq_cst`, `acquire`, `release`, `relaxed` 的精确选择”
C++ 硬件中断处理与 `signal` 机制：理解底层事件响应
哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++里那些深藏功与名的家伙——硬件中断和signal机制。这俩哥们儿，一个是硬件界的急先锋，一个是软件界的救火队，都是处理紧急事件的高手。别看名字听起来玄乎，其实理解起来并不难，咱们争取用最通俗的方式，把这俩家伙扒个底朝天。 第一幕：硬件中断——硬件界的急先锋 想象一下，你正悠哉游哉地用电脑敲代码，突然，你的鼠标动了一下。这看似不起眼的动作，背后却隐藏着一个英雄——硬件中断。 什么是硬件中断？ 简单来说，硬件中断就是硬件设备（比如鼠标、键盘、网卡）向CPU发出的一种信号，告诉CPU：“嘿，老大，我这儿有个紧急情况，你赶紧过来处理一下！” 为什么要用硬件中断？ 如果没有硬件中断，CPU就只能不停地轮询各个硬件设备，看看它们有没有什么请求。这就像一个保安，不停地在各个房间巡逻，看看有没有人需要帮助。这样效率太低了，CPU的大部分时间都浪费在了无用的巡逻上。 有了硬件中断，硬件设备就可以主动向CPU发出请求，CPU可以先处理其他事情，等到中断发生时再来处理。这就像保安平时可以休息，只有当有人按下紧急按钮时，他才会立即赶到现场。这样CPU的效率就大大提高了。 硬件 …
C++ 实时操作系统（RTOS）下的 C++ 编程挑战与优化
哈喽，各位好！ 今天咱们来聊聊一个既刺激又有点让人头秃的话题：C++ 在实时操作系统（RTOS）下的编程挑战与优化。没错，就是那个让你怀疑人生的 C++，再搭配上让你时刻紧绷神经的 RTOS。是不是想想就觉得头发要离家出走了？ 别怕，今天咱们争取把这个复杂的话题掰开了揉碎了，用最接地气的方式，让你对 C++ RTOS 开发有个清晰的认识。 第一章：RTOS 简介：时间就是金钱，效率就是生命 首先，咱得搞明白 RTOS 到底是干啥的。简单来说，RTOS 就是一个操作系统，但它更注重“实时性”。啥叫实时性？就是说，在规定的时间内必须完成任务，超时了就凉凉。想象一下，自动驾驶汽车如果没能在几毫秒内识别到障碍物并做出反应，那结果…emmm… RTOS 的核心思想就是任务调度。它会根据任务的优先级、截止时间等因素，合理地分配 CPU 资源，确保重要的任务能及时执行。 RTOS 的关键特性： 特性 描述 重要性 实时性 必须在规定的时间内完成任务，超时可能导致严重后果。 核心特性，决定了 RTOS 的适用场景。 任务调度 根据优先级、截止时间等因素，合理分配 CPU 资源。 保证高优先级任务能及时 …
C++ `netlink` 套接字：与 Linux 内核进行通信
哈喽，各位好！今天咱们来聊聊 C++ 里的 netlink 套接字，这家伙可是个神奇的存在，能让你的程序直接跟 Linux 内核“唠嗑”。想象一下，你写了个程序，想知道当前系统的网络接口状态，或者想配置一下防火墙规则，用 netlink 就方便多了。 什么是 Netlink？ 简单来说，netlink 是一种特殊的套接字，它允许用户空间的进程和 Linux 内核之间进行双向通信。你可以把它想象成一个“管道”，一头连着你的 C++ 程序，另一头连着内核。内核可以通过这个管道主动向你发送消息，你的程序也可以通过它向内核请求信息或者执行操作。 为啥要用 Netlink？ 相比于其他内核通信方式（比如 ioctl），netlink 有不少优点： 异步通信: 你可以发送一个请求，然后继续做其他事情，内核会在准备好响应后通知你。 多播支持: 内核可以向多个用户空间的进程发送相同的消息，这对于需要实时监控系统状态的程序非常有用。 标准化: netlink 有一套标准的协议和接口，使得不同模块之间的通信更加容易。 类型安全: netlink 使用属性来传递数据，可以避免一些类型转换的错误。 Netli …
C++ 驱动开发：操作系统内核级 C++ 编程与设备交互
哈喽，各位好！今天咱们聊聊C++驱动开发，这玩意儿听起来高大上，实际上…嗯，确实挺需要点功夫的。但是别怕，我会尽量把它讲得有趣点，至少让你们觉得“哎，这玩意儿好像也没那么可怕嘛”。 什么是驱动开发？（别跟我说开车！） 简单来说，驱动程序就是操作系统和硬件设备之间的翻译官。操作系统想让硬件干活，但它不能直接跟硬件“对话”，需要一个翻译官把操作系统的指令翻译成硬件能理解的“语言”，这个翻译官就是驱动程序。 为什么用C++？因为C++既有面向对象的能力，方便我们组织代码，又有接近底层的能力，可以直接操作内存和硬件。当然，你也可以用C，甚至汇编，但是…除非你是自虐狂，否则还是老老实实用C++吧。 内核级编程？听起来就很危险！ 没错，内核级编程确实很危险。你在用户态写代码，崩了最多就是程序崩溃，重启一下就好。但在内核态写代码，崩了…呵呵，蓝屏伺候！严重的话，还会导致系统不稳定，甚至数据丢失。所以，写驱动一定要小心谨慎，多测试，多学习。 环境搭建：磨刀不误砍柴工 要写驱动，首先得有个合适的开发环境。推荐使用Visual Studio，配合Windows Driver Kit (WDK)。WDK包含 …
C++ `seccomp`：限制进程系统调用，增强安全性
哈喽，各位好！今天咱们来聊聊一个能让你的C++程序更“乖巧”、更安全的利器：seccomp。想象一下，你的程序就像一个在房间里玩耍的小朋友，seccomp就像一道看不见的围栏，规定了小朋友只能玩哪些玩具，不能碰哪些危险的东西。这样，即使小朋友不小心“玩脱了”，也不会造成太大的破坏。 什么是 seccomp？ seccomp (Secure Computing Mode) 是 Linux 内核提供的一种安全机制，它允许你限制进程可以执行的系统调用。系统调用，简单来说，就是程序跟操作系统内核“打交道”的方式，比如打开文件、读写数据、创建进程等等。通过 seccomp，你可以告诉内核：“这个程序只能用这些系统调用，其他的统统不许碰！” seccomp 的作用 增强安全性: 限制恶意代码利用漏洞执行危险的系统调用，比如修改系统文件、执行任意代码等。 降低攻击面: 减少程序可能被攻击的入口点。 沙箱环境: 创建一个受限的运行环境，用于运行不信任的代码。 seccomp 的几种模式 seccomp 主要有三种模式： SECCOMP_MODE_DISABLED (禁用): 这是默认模式，不进行任何限 …
C++ 虚拟内存管理：`mmap`, `munmap`, `mprotect` 的灵活运用
哈喽，各位好！今天咱们聊聊C++里那些让你感觉神秘又强大的虚拟内存管理工具：mmap、munmap 和 mprotect。别怕，咱们不搞深奥的理论，直接用代码说话，保证你听完能上手，能装逼。 啥是虚拟内存？ 你需要它吗？ 想象一下，你的电脑就像一个豪华公寓，但你的程序就像一群熊孩子，每个都想霸占所有房间。虚拟内存就像一个超级管家，给每个熊孩子都分配了一个“虚拟”的房间号，让他们以为自己拥有整个公寓。实际上，管家会悄悄地把这些虚拟房间号映射到实际的物理房间，必要时还会把一些不常用的房间（数据）暂时放到储藏室（硬盘）里。 为什么要用虚拟内存？ 更大的空间: 你的程序可以拥有比实际物理内存更大的地址空间。 内存保护: 不同的程序不会互相干扰，即使一个熊孩子把自己的房间搞得一团糟，也不会影响到其他孩子。 更有效的内存利用: 只有真正需要的内存才会被加载到物理内存中。 主角登场：mmap、munmap、mprotect 这三个家伙就是C++里操作虚拟内存的利器。它们不是C++标准库的一部分，而是POSIX标准提供的，所以在Linux、macOS等类Unix系统上可以直接使用。Windows上也有 …