本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件編程領(lǐng)域，特別是一種基于原子操作的信號(hào)量鏈表式堆棧方法。

背景技術(shù)：

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里信號(hào)量是用來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步的機(jī)制。信號(hào)量本身是一個(gè)整數(shù)，信號(hào)量大于等于零表示可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源實(shí)體數(shù)，信號(hào)量小于零則表示正在等待使用臨界區(qū)的進(jìn)程數(shù)。例如在pv原語(yǔ)中，p原語(yǔ)信號(hào)量的操作是：若信號(hào)量減1后仍大于或等于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，若信號(hào)量減1后小于零，則該進(jìn)程被阻塞；v原語(yǔ)信號(hào)量的操作是：若信號(hào)量加1后大于零，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行，若信號(hào)量加1后仍小于或等于零，則喚醒一個(gè)在該信號(hào)量上阻塞的進(jìn)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種基于原子比較并交換（cas）操作的帶信號(hào)計(jì)數(shù)的鏈表式堆棧方法，該方法的堆棧由棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)和結(jié)點(diǎn)構(gòu)成。信號(hào)計(jì)數(shù)和出棧計(jì)數(shù)都是整型值，這里的結(jié)點(diǎn)指的是計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的一塊數(shù)據(jù)，指針是指向這塊數(shù)據(jù)的地址，指針本身也是存放在內(nèi)存空間里的數(shù)據(jù)。每個(gè)結(jié)點(diǎn)包含一個(gè)鏈接指針，結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間通過鏈接指針連接起來(lái)，棧頂指針指向第一個(gè)結(jié)點(diǎn)即為棧頂結(jié)點(diǎn)，第一個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈接指針指向第二個(gè)結(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈接指針為空。和常規(guī)的鏈表式堆棧一樣具有入棧（push）和出棧（pop）的操作，不同的是進(jìn)行入棧操作時(shí)對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)值減1，若減1后該信號(hào)計(jì)數(shù)大于或等于零，則不能將新結(jié)點(diǎn)放入該堆棧中，若減1后該信號(hào)計(jì)數(shù)小于零，則能將新結(jié)點(diǎn)放入該堆棧，使用（cas）原子操作更新棧頂指針和相關(guān)計(jì)數(shù)值。進(jìn)行出棧操作時(shí)對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)值加1，若加1后該信號(hào)計(jì)數(shù)大于零，則出棧操作失敗返回空指針，若加1后該信號(hào)計(jì)數(shù)小于或等于零，則取出當(dāng)前棧頂結(jié)點(diǎn)，并使用（cas）原子操作更新棧頂指針指向當(dāng)前棧頂結(jié)點(diǎn)鏈接的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)，更新過程中同時(shí)將出棧計(jì)數(shù)加1以防止（cas）操作過程中和原值比較時(shí)出現(xiàn)的aba問題。

一種基于原子操作的信號(hào)量鏈表式堆棧方法，包括入棧操作和出棧操作，該方法的堆棧由棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)和結(jié)點(diǎn)構(gòu)成；每個(gè)結(jié)點(diǎn)包含一個(gè)鏈接指針，結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間通過鏈接指針連接起來(lái)，棧頂指針指向第一個(gè)結(jié)點(diǎn)即為棧頂結(jié)點(diǎn)，第一個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈接指針指向第二個(gè)結(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈接指針為空；進(jìn)行入棧操作時(shí)包括以下步驟：第一步：取原棧頂結(jié)點(diǎn)指針、原信號(hào)計(jì)數(shù)值、原出棧計(jì)數(shù)值，第二步：使臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)值等于原信號(hào)計(jì)數(shù)值，使臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)值等于原出棧計(jì)數(shù)值，使臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針等于原棧頂結(jié)點(diǎn)指針；第三步：臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)值減1并進(jìn)行判斷，若減1后小于零，則進(jìn)入第四步，若減1后大于或等于零，則直接進(jìn)入第五步；第四步：將入棧的新結(jié)點(diǎn)的鏈接指針指向原棧頂結(jié)點(diǎn)，并將臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針指向新結(jié)點(diǎn)；第五步：使用原子比較并交換操作嘗試同時(shí)將棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)跟原值進(jìn)行比較并原子化的替換為臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針、臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)、臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)的值，第六步：如果替換操作成功，則入棧操作結(jié)束，如果替換操作失敗則返回第一步，重復(fù)上述步驟直至成功。

本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案是:一種基于原子操作的信號(hào)量鏈表式堆棧方法，出棧操作時(shí)包括以下步驟：第一步：對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)進(jìn)行原子加1操作，第二步：進(jìn)行判斷，若加1后信號(hào)計(jì)數(shù)大于零，則表示出棧失敗返回空指針，出棧操作結(jié)束，若加1后信號(hào)計(jì)數(shù)小于或等于零，則進(jìn)入下一步；第三步：取原棧頂結(jié)點(diǎn)指針、原信號(hào)計(jì)數(shù)值、原出棧計(jì)數(shù)值；第四步：使臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)值等于原信號(hào)計(jì)數(shù)值，使臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)值等于原出棧計(jì)數(shù)值加1，使臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針的值等于原棧頂結(jié)點(diǎn)的鏈接指針的值；第五步：使用原子比較并交換操作嘗試同時(shí)將棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)跟原值進(jìn)行比較并原子化的替換為臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針、臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)、臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)的值，第六步：進(jìn)行判斷，如果替換操作失敗則返回第三步，并重復(fù)第三步、第四步、第五步和第六步，如果替換操作成功，將原棧頂結(jié)點(diǎn)指針返回，出棧操作結(jié)束。

本發(fā)明與現(xiàn)有的鏈表式堆棧相比具有如下特點(diǎn)：進(jìn)行入棧操作時(shí)對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)值減1，若減1后該信號(hào)計(jì)數(shù)大于或等于零，則不能將新結(jié)點(diǎn)放入該堆棧中，若減1后該信號(hào)計(jì)數(shù)小于零，則能將新結(jié)點(diǎn)放入該堆棧，使用（cas）原子操作更新棧頂指針和相關(guān)計(jì)數(shù)值。進(jìn)行出棧操作時(shí)對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)值加1，若加1后該信號(hào)計(jì)數(shù)大于零，則出棧操作失敗返回空指針，若加1后該信號(hào)計(jì)數(shù)小于或等于零，則取出當(dāng)前棧頂結(jié)點(diǎn)，并使用（cas）原子操作更新棧頂指針指向當(dāng)前棧頂結(jié)點(diǎn)鏈接的下一個(gè)結(jié)點(diǎn)，更新過程中同時(shí)將出棧計(jì)數(shù)加1以防止（cas）操作過程中和原值比較時(shí)出現(xiàn)的aba問題。

該方法完全使用（cas）原子操作實(shí)現(xiàn)，允許在多處理器環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行多線程安全的共享訪問，由于規(guī)避了傳統(tǒng)的鎖機(jī)制來(lái)維護(hù)多線程安全的方式，因此在處理器較多的平臺(tái)上具有性能上的優(yōu)勢(shì)，該方法易于擴(kuò)展，很容易實(shí)現(xiàn)類似信號(hào)量機(jī)制的功能，也可用于管理空閑的計(jì)算資源，例如：當(dāng)空閑計(jì)算資源結(jié)點(diǎn)不能入棧時(shí)，表示之前有任務(wù)或請(qǐng)求在申請(qǐng)計(jì)算資源時(shí)進(jìn)行過出棧操作但未能獲得空閑的計(jì)算資源結(jié)點(diǎn)，此時(shí)可從任務(wù)隊(duì)列中將等待處理的任務(wù)分配給該計(jì)算資源結(jié)點(diǎn)。如果計(jì)算資源結(jié)點(diǎn)可以入棧，則說明當(dāng)前任務(wù)隊(duì)列中沒有等待處理的任務(wù)，直到有新任務(wù)提交過來(lái)申請(qǐng)計(jì)算資源結(jié)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行出棧操作將該結(jié)點(diǎn)彈出，并將任務(wù)送達(dá)該計(jì)算資源結(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源的調(diào)度，這是常規(guī)的鏈表式堆棧無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步描述。

附圖說明

附圖1：為本發(fā)明的入棧操作流程示意圖；

附圖2：為本發(fā)明的出棧操作流程示意圖。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示：一種基于原子操作的信號(hào)量鏈表式堆棧方法，該方法的堆棧由棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)和結(jié)點(diǎn)構(gòu)成；每個(gè)結(jié)點(diǎn)包含一個(gè)鏈接指針，結(jié)點(diǎn)與結(jié)點(diǎn)之間通過鏈接指針連接起來(lái)，棧頂指針指向第一個(gè)結(jié)點(diǎn)即為棧頂結(jié)點(diǎn)，第一個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈接指針指向第二個(gè)結(jié)點(diǎn)，最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)的鏈接指針為空；進(jìn)行入棧操作時(shí)包括以下步驟：第一步：取原棧頂結(jié)點(diǎn)指針、原信號(hào)計(jì)數(shù)值、原出棧計(jì)數(shù)值，第二步：使臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)值等于原信號(hào)計(jì)數(shù)值，使臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)值等于原出棧計(jì)數(shù)值，使臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針等于原棧頂結(jié)點(diǎn)指針；第三步：臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)值減1并進(jìn)行判斷，若減1后小于零，則進(jìn)入第四步，若減1后大于或等于零，則直接進(jìn)入第五步；第四步：將入棧的新結(jié)點(diǎn)的鏈接指針指向原棧頂結(jié)點(diǎn)，并將臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針指向新結(jié)點(diǎn)；第五步：使用原子比較并交換操作嘗試同時(shí)將棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)跟原值進(jìn)行比較并原子化的替換為臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針、臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)、臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)的值，第六步：如果替換操作成功，則入棧操作結(jié)束，如果替換操作失敗則返回第一步，重復(fù)上述步驟直至成功。

如附圖2所示：一種基于原子操作的信號(hào)量鏈表式堆棧方法的出棧操作步驟，第一步：對(duì)信號(hào)計(jì)數(shù)進(jìn)行原子加1操作，第二步：進(jìn)行判斷，若加1后信號(hào)計(jì)數(shù)大于零，則表示出棧失敗返回空指針，出棧操作結(jié)束，若加1后信號(hào)計(jì)數(shù)小于或等于零，則進(jìn)入下一步；第三步：取原棧頂結(jié)點(diǎn)指針、原信號(hào)計(jì)數(shù)值、原出棧計(jì)數(shù)值；第四步：使臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)值等于原信號(hào)計(jì)數(shù)值，使臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)值等于原出棧計(jì)數(shù)值加1，使臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針的值等于原棧頂結(jié)點(diǎn)的鏈接指針的值；第五步：使用原子比較并交換操作嘗試同時(shí)將棧頂指針、信號(hào)計(jì)數(shù)、出棧計(jì)數(shù)跟原值進(jìn)行比較并原子化的替換為臨時(shí)棧頂結(jié)點(diǎn)指針、臨時(shí)信號(hào)計(jì)數(shù)、臨時(shí)出棧計(jì)數(shù)的值，第六步：進(jìn)行判斷，如果替換操作失敗則返回第三步，并重復(fù)第三步、第四步、第五步和第六步，如果替換操作成功，將原棧頂結(jié)點(diǎn)指針返回，出棧操作結(jié)束。

原子加1操作：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，尤其是對(duì)稱多處理器系統(tǒng)中，對(duì)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算修改時(shí)包含從內(nèi)存取數(shù)據(jù)、運(yùn)算、將運(yùn)算結(jié)果寫回內(nèi)存這三個(gè)步驟。當(dāng)多個(gè)處理器同時(shí)對(duì)同一個(gè)內(nèi)存中的變量進(jìn)行運(yùn)算操作時(shí)，如果沒有約束條件的話，他們可能取的數(shù)據(jù)是同一個(gè)值，最終運(yùn)算結(jié)果會(huì)變成最后一個(gè)寫回內(nèi)存的處理器運(yùn)算的結(jié)果，而不是這幾個(gè)處理器分別對(duì)該內(nèi)存中的變量進(jìn)行計(jì)算后的結(jié)果。例如3個(gè)處理器同時(shí)對(duì)一個(gè)值為0的內(nèi)存變量進(jìn)行加1操作，很可能最終計(jì)算后該內(nèi)存變量的結(jié)果為1或者2，而不是3。在x86處理器平臺(tái)上對(duì)目的操作數(shù)為內(nèi)存變量的運(yùn)算指令前加lock前綴，將保證該指令執(zhí)行期間其他處理器不能訪問該內(nèi)存變量，直到該指令將運(yùn)算結(jié)果寫回目的內(nèi)存后，其他處理器才能對(duì)該內(nèi)存變量進(jìn)行操作。帶lock前綴的加1指令就能保證多個(gè)處理器同時(shí)對(duì)同一內(nèi)存變量進(jìn)行加1操作的最終結(jié)果是這幾個(gè)處理器分別對(duì)該變量進(jìn)行加1的結(jié)果。這就是原子加1操作。

原子比較并交換操作（cas）：該操作有3個(gè)操作數(shù)，內(nèi)存值v，舊的預(yù)期值a，要修改的新值b。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值a和內(nèi)存值v相同時(shí)，將內(nèi)存值v修改為b，否則什么都不做，并且在此操作期間其他處理器不能對(duì)內(nèi)存值v進(jìn)行操作。

原子比較并交換操作（cas）的aba問題：在cas的操作過程中當(dāng)舊的預(yù)期值a與要修改的新值b存在某種關(guān)聯(lián)，且這種關(guān)聯(lián)的有效性直接影響cas操作結(jié)果的正確性。而當(dāng)預(yù)期值a和內(nèi)存值v相同時(shí)，卻無(wú)法判斷和預(yù)期值a相同的內(nèi)存值v是否被改動(dòng)過，從而導(dǎo)致預(yù)期值a和新值b的關(guān)聯(lián)失效的問題。

本發(fā)明涉及到計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域里原子操作的概念，對(duì)于本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員，能夠熟練的在不同處理器平臺(tái)上使用該平臺(tái)的相關(guān)機(jī)器指令實(shí)現(xiàn)這些原子操作。例如本發(fā)明中使用的原子比較并交換（cas）操作在intelx86處理器平臺(tái)上可以用lockcmpxchg指令實(shí)現(xiàn)，也可以使用lockcmpxchg8b指令實(shí)現(xiàn)，在64位模式下也可以使用lockcmpxchg16b指令實(shí)現(xiàn)，且不同的處理器硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)這些原子操作的機(jī)器指令是不同的，不能將這種差異解釋為超出本發(fā)明的范疇。