Знакомы ли вы с концепцией lock-free?

Да, знаком. Lock-free (неблокирующие) алгоритмы — это методы разработки параллельных программ, которые гарантируют прогресс системы в целом, даже если некоторые потоки приостановлены. Они достигают этого без использования традиционных примитивов синхронизации, таких как мьютексы или семафоры, которые могут привести к блокировкам потоков. Вместо этого используются атомарные операции.

Основные концепции:

• Атомарные операции: Операции, которые выполняются полностью и не могут быть прерваны или переплетены с другими операциями. В Golang атомарные операции доступны в пакете sync/atomic (например, AddInt64, CompareAndSwapPointer).
• Прогресс: Это ключевой аспект lock-free алгоритмов. Различают уровни прогресса:
  • Obstruction-Free (Свободный от препятствий): Если поток запущен изолированно, он завершит свою операцию за конечное число шагов. В присутствии других потоков могут возникать взаимоблокировки.
  • Lock-Free (Неблокирующий): Гарантирует, что хотя бы один поток, пытающийся выполнить операцию, успешно завершится за конечное число своих шагов, даже если другие потоки приостановлены. При этом конкретный поток может быть "вытеснен" постоянно (старвация).
  • Wait-Free (Без ожидания): Самый сильный уровень. Гарантирует, что каждый поток, пытающийся выполнить операцию, завершит ее за конечное число своих шагов, независимо от скорости или приостановки других потоков. Исключает старвацию.
• CAS (Compare-And-Swap): Ключевая атомарная операция. Она сравнивает текущее значение переменной с ожидаемым значением и, если они совпадают, атомарно заменяет его новым значением. Возвращает булево значение, указывающее на успешность замены. Позволяет реализовать read-modify-write циклы без блокировок.

Пример использования sync/atomic для lock-free счетчика:

golang

Преимущества lock-free:

• Отсутствие взаимоблокировок (deadlocks): Поскольку нет блокирующихся примитивов, взаимоблокировки невозможны.
• Устойчивость к задержкам потоков: Если поток приостановлен (например, планировщиком), это не блокирует другие потоки, выполняющие операции над теми же данными, в отличие от мьютексов.
• Потенциально лучшая производительность: В определенных сценариях, особенно при высокой конкуренции и коротких критических секциях, lock-free может быть быстрее, так как избегает накладных расходов на блокировку и разблокировку.

Недостатки lock-free:

• Сложность реализации: Разработка lock-free алгоритмов значительно сложнее, чем использование традиционных блокировок. Труднее рассуждать о корректности и избегать ошибок.
• Проблема ABA: Одна из известных проблем, когда значение переменной может быть изменено с A на B, а затем снова на A. CAS может посчитать, что ничего не изменилось. Для решения требуются специальные техники (например, двойной CAS или добавление версий).
• Нагрузка на память и кэш: Атомарные операции могут потребовать более частой синхронизации кэшей процессоров.
• Не всегда быстрее: В сценариях с низкой конкуренцией или длинными критическими секциями традиционные блокировки могут быть более производительными.

В Golang lock-free подходы используются в реализации внутренних структур (например, некоторые аспекты планировщика, каналов), а также могут применяться разработчиками для оптимизации высококонкурентных участков кода с помощью пакета sync/atomic. Однако, в большинстве случаев, стандартные примитивы синхронизации из пакета sync (мьютексы, WaitGroup, Cond, RWMutex) являются достаточными и более простыми в использовании. Применение lock-free требует глубокого понимания атомарных операций и особенностей многопроцессорной архитектуры.

Таблица сравнения Lock-Based и Lock-Free: