Простой Стек Без Блокировки

Недавно нашли такую задачу Java-concurrency interview:

Напишите простой стек без блокировки с помощью двух методов: push и pop.

Я сделал концент: 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;


public class Stack {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(-1);
    private Object[] data = new Object[1000];

    public void push(Object o) {
        int c = count.incrementAndGet();
        data[c] = o;
    }

    public Object pop() {
        Object top;
        int c;
        while (true) {
            c = count.get();
            if (c == -1) return null;
            top = data[c];
            if (count.compareAndSet(c, c-1))
                return top;
        }
    }
}

Похоже ли это на ожидаемый подход? Или "стопка без блокировки" означает что-то другое? Пожалуйста, помогите новичку в java-интервью.

4 2
stack lock-free

4 ответа:

Вы определенно начали в правильном направлении, думая об использовании атомарных целых чисел и атомарных функций Java. Таким образом, это будет стек без блокировки, как в: нет явных блокировок.

Это все еще не правильно при одновременном доступе, однако, и это относительно просто продемонстрировать: представьте, что ваш push() поток блокирует между получением count и добавлением нового элемента в стек (data[c] = o), а тем временем появляется pop() поток, получает более высокий уровень граф, и хлопает... Что? Все, что находится в памяти в этом месте стека, но не объект o (потому что он еще не был вставлен).

И это проблема с незащищенными стеками с поддержкой массивов, что у вас есть две вещи, которые вам теоретически нужно настроить, количество и содержимое этой конкретной ячейки, и вы не можете сделать оба атома одновременно. Я не знаю ни одного алгоритма стека с поддержкой массивов без блокировки.

Существуют стеки с поддержкой связанных списков алгоритмы, однако, не имеют блокировок, потому что в этом случае вы можете создать новый узел, назначить ему содержимое, и у вас есть только одна операция для атомарного выполнения: изменение верхнего указателя.

Если вас интересует этот аргумент, лучшей литературной работой является книга Шавита и Херлихи "искусство многопроцессорного программирования", в которой описывается множество различных структур данных, как без блокировки, так и на основе блокировки. Я не могу найти сейчас ни одной статьи, описывающей" обычный " алгоритм без блокировки стека в подробно, хотя Магед Майкл упоминает об этом в своей SMR-статье, Страница 8, пункт 4.2, и я сам сделал реализацию C99.

9
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class LockFreeStack {

public static void main(String... args) {
    LFStack<String> stack = new LFStack<String>();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        Thread t = new Thread(new RandomStackUse(stack));
        t.setName("My stack thread " + i);
        t.start();
    }
}

private static class LFStack<E> {
    private volatile AtomicReference<Node<E>> head = new AtomicReference<Node<E>>();

    public E peek() {
        E payload = null;
        Node<E> oldHeadNode = head.get();
        if (oldHeadNode != null) { payload = head.get().payload; }
        return payload;
    }

    public E pop() {
        E payload;
        while (true) {
            Node<E> oldHeadNode = head.get();
            if (oldHeadNode == null) { return null; }
            payload = head.get().payload;
            if (head.compareAndSet(oldHeadNode, oldHeadNode.next.get())) { break; }
            //System.out.println("Retry");
        }
        return payload;
    }

    public void push(E e) {
        Node<E> oldHeadNode = new Node<E>(e);

        while (true) {
            Node<E> oldRootNode = head.get();
            if (oldRootNode != null) { oldHeadNode.next.set(oldRootNode); }
            if (head.compareAndSet(oldRootNode, oldHeadNode)) { break; }
            //System.out.println("Retry");
        }
    }
}


//to be used as LinkedList chain <Node> => <Node> => <Node> => null
private static class Node<E> {
    private E payload;
    private AtomicReference<Node<E>> next;

    public Node(E e) {
        payload = e;
        next = new AtomicReference<Node<E>>();
    }
}

public static class RandomStackUse implements Runnable {
    private LFStack<String> stack;
    private Random rand = new Random();

    public RandomStackUse(LFStack<String> stack) {this.stack = stack;}

    @Override
    public void run() {
        long counter = 0;
        while (true) {
            if (rand.nextInt() % 3 == 0) {
                stack.push(String.valueOf(counter++));
                //System.out.println(String.format("%s pushed %d", Thread.currentThread().getName(), counter));
            }
            if (rand.nextInt() % 3 == 1) {
                String value = stack.pop();
                //System.out.println(String.format("%s pop %s", Thread.currentThread().getName(), value));
            }
            if (rand.nextInt() % 3 == 2) {
                String value = stack.peek();
                //System.out.println(String.format("%s peek %s", Thread.currentThread().getName(), value));
            }
        }
    }
}
}
1
public class MyConcurrentStack<T>
{
private AtomicReference<Node> head = new AtomicReference<Node>();
public MyConcurrentStack()
{

}

public void push(T t)
{
    Node<T> n = new Node<T>(t);
    Node<T> current;

    do
    {
        current = head.get();
        n.setNext(current);
    }while(!head.compareAndSet(current, n));
}

public T pop()
{
    Node<T> currentHead = null;
    Node<T> futureHead = null;
    do
    {
        currentHead = head.get();
        if(currentHead == null)
        {
            return null;
        }
        futureHead = currentHead.next;
    }while(!head.compareAndSet(currentHead, futureHead)); 

    return currentHead.data;
}

public T peek()
{
    Node<T> n = head.get();
    if(n==null)
    {
        return null;
    }
    else
    {
        return n.data;
    }
}

private static class Node<T>
{
       private final T data;
       private Node<T> next;

       private Node(T data)
       {
           this.data = data;
       }

       private void setNext(Node next)
       {
           this.next = next;
       }
}

public static void main(String[] args)
{
    MyConcurrentStack m = new MyConcurrentStack();
    m.push(12);
    m.push(13);
    m.push(15);

    System.out.println(m.pop());
    System.out.println(m.pop());
    System.out.println(m.pop());
    System.out.println(m.pop());
}
}

Код не требует пояснений. Пожалуйста, дайте мне знать, если кто-то нуждается в объяснениях. Стек формируется в соответствии со следующей диаграммой: 

  ...     ...      ...
 |   |-->|   | -->|   |
  ...     ...      ...

   ^
   |
current head
0

Вы можете использовать интерфейса blockingqueue с помощью метода put (), чтобы вставить элемент и способ drainTo(коллекция С), чтобы получить элементы. Затем считайте элементы из конца c.

-1