Implementación de agrupación de memoria sin hilos no bloqueante

Question

Necesitaba un conjunto de memoria de bloque de bloques estáticos simple sin bloqueo. No encontré tal en la web. Entonces, todos, que necesitan tal solución. Este es gratis ... solo funciona en Win32.

Saludos,

Friedrich

#ifndef MEMPOOL_HPP_INCLUDED 
#define MEMPOOL_HPP_INCLUDED 

#include "atomic.hpp" 
#include "static_assert.hpp" 

#pragma warning(push) 
#pragma warning(disable : 4311) // warning C4311: 'Typumwandlung' 

/// @brief Block-free memory-pool implemenation 
/// @tparam T Object-type to be saved within the memory-pool. 
/// @tparam S Capacy of the memory-pool. 
template <typename T, int S> 
class MemoryPool 
{ 
private: 
    STATIC_ASSERT(sizeof(int) == sizeof(void*), "Well, ..."); 

public: 
    /// @brief Object-type saved within the pool. 
    typedef T TYPE; 
    enum 
    { 
     /// @brief Capacy of the memory-pool. 
     SIZE = S 
    }; 

private: 
    /// @brief Chunks, that holds the memory 
    struct Chunk 
    { 
     /// @brief Single-linked list. 
     Chunk* Next; 
     /// @brief The value 
     /// We do not call the default constructor this way. 
     char Value[sizeof(TYPE)]; 
    }; 

    /// @brief The root object. 
    Chunk* Root; 

    /// @brief The pool 
    Chunk Pool[SIZE]; 

private: 
    // do not allow copying 
    MemoryPool(const MemoryPool&); 
    MemoryPool& operator=(const MemoryPool&); 

    void free(Chunk* c) 
    { 
     c->Next = Root; 
     while(!CompareAndSwap((int*)&Root, (int)c->Next, (int)c)) 
     { 
      c->Next = Root; 
     } 
    } 

public: 
    /// Default constructor 
    /// Creates an empty memory-pool. 
    /// Invalidates all the memory. 
    MemoryPool() 
    : Root(0) 
    { 
     for(int i = 0; i < SIZE; i++) 
     { 
      MemoryPool::free(&Pool[i]); 
     } 
    } 

    /// @brief Frees a chunk of memory, that was allocated by MemoryPool::malloc 
    /// @param _Chunk A chunk of memory, that was allocated by MemoryPool::malloc 
    /// This function will not call the destructor. 
    /// Thread-safe, non-blocking 
    void free(T* _Chunk) 
    { 
     if(!_Chunk) 
      return; 

     Chunk* c = (Chunk*)((int)(_Chunk) - sizeof(Chunk*)); 

     if(c < &Pool[0] || c > &Pool[SIZE - 1]) 
      return; 

     MemoryPool::free(c); 
    } 

    /// @brief Returns a pointer to a chunk of memory 
    /// @return 0 on a memory shortage 
    /// @return A pointer to a chunk of memory 
    /// This function will not call the constructor. 
    /// Thread-safe, non-blocking 
    T* malloc() 
    { 
     Chunk* r = Root; 
     if(!r) 
      return 0; 

     while(!CompareAndSwap((int*)&Root, (int)r, (int)r->Next)) 
     { 
      r = Root; 
      if(!r) 
       return 0; 
     } 

     return &(r->Value); 
    } 
}; 

#pragma warning(pop) 

#endif // MEMPOOL_HPP_INCLUDED 

Y el CompareAndSwap

/// @brief Atomic compare and set 
/// Atomically compare the value stored at *p with cmpval and if the 
/// two values are equal, update the value of *p with newval. Returns 
/// zero if the compare failed, nonzero otherwise. 
/// @param p Pointer to the target 
/// @param cmpval Value as we excpect it 
/// @param newval New value 
static inline int CompareAndSwap(volatile int *_ptr, int _old, int _new) 
{ 
    __asm { 
     mov eax, [_old]    // place the value of _old to EAX 
     mov ecx, [_new]    // place the value of _new to ECX 
     mov edx, [_ptr]    // place the pointer of _ptr to EDX 
     lock cmpxchg [edx], ecx  // cmpxchg old (EAX) and *ptr ([EDX]) 
    } 
    return 1; 
} 

Answer 1

El problema con este enfoque es que existe una condición de carrera en malloc:

while(!CompareAndSwap((int*)&Root, (int)r, (int)r->Next)) 

Considere la siguiente secuencia de operaciones:

1. Inicialmente Root = A, A->next = B, ...
2. Un hilo lee r = Root así r = A y (en un registro) se lee ecx = r->Next = B
3. se adelantó rosca inicial (o, en otra CPU) una serie de malloc y free ocurren de modo que A se usa por un tiempo y se libera al final.
4. Nueva estado lista es Root = A, A->next = ZZZ, ...
5. hilo original se despierta y hace cmpxchg y tiene éxito porque Root == r == A y por lo tanto establece Root = ecx = B
6. Ahora su lista está dañado.

puede resolver este problema si tiene una doble palabra cmpxchg, como cmpxchg8b. Simplemente incluya un número de serie al lado del encabezado de la lista, de modo que si la comparación falla, se interrumpe como se indica en el punto (3) anterior. El lado free puede usar la versión estrecha, siempre que cada malloc cambie el puntero y para incrementar el número de serie.

Answer 2

Gracias por cualquier comentario. Este puede ser usado con WinXP y más reciente. La implementación mencionada anteriormente aún se puede usar con una arquitectura PowerPC (si tiene una implementación adecuada de CompareAndSwap, consulte "http://publib.boulder.ibm.com/infocenter/aix/v6r1/topic/com.ibm.aix". aixassem/doc/alangref/stwcx.htm ").

Saludos,

Friedrich

/// @brief Lock-free memory-pool implementation 
/// @tparam T Type stored within the memory-pool 
/// @tparam S Number of elements stored in the memory-pool. 
template <typename T, int S> 
class MemoryPool 
{ 
public: 
    /// @brief Type stored within the memory-pool. 
    typedef T TYPE; 
    enum 
    { 
     /// @brief Number of enrties in the memory-pool. 
     SIZE = S 
    }; 

private: 

// we need to align the memory-pool-chunks. 
#pragma pack(push, MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT) 

    /// @brief The memory-chunk used by the memory-pool. 
    template <typename TYPE> 
    struct MemoryChunk 
    { 
     /// @brief Next entry in the single-linked list. 
     SLIST_ENTRY Next; 
     /// @brief The value stored within the memory-pool. 
     /// Do not call the constructor 
     char Value[sizeof(TYPE)]; 
    }; 
    typedef MemoryChunk<TYPE> CHUNK_TYPE; 

#pragma pack(pop, MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT) 

    /// @brief Head of the single-linked list. 
    SLIST_HEADER Head; 

    /// @brief The pool itself 
    CHUNK_TYPE Pool[SIZE]; 

    // no copying is supported 
    MemoryPool& operator=(const MemoryPool&); 
    MemoryPool(const MemoryPool&); 

public: 
    /// @brief Constructs the memory-pool. 
    MemoryPool() 
    { 
     InitializeSListHead(&Head); 
     for(int i = 0; i < SIZE; i++) 
     { 
      InterlockedPushEntrySList(&Head, &Pool[i].Next); 
     } 
    } 

    /// @brief Free the memory-pool. 
    ~MemoryPool() 
    { 
     InterlockedFlushSList(&Head); 
    } 

    /// @brief Allocates a memory chunk 
    /// @return 0 if none is free 
    /// @return Pointer to a free memory chunk (the constructor is not called!) 
    TYPE* Allocate() 
    { 
     CHUNK_TYPE* c = reinterpret_cast<CHUNK_TYPE*>(InterlockedPopEntrySList(&Head)); 
     if(c) 
      return reinterpret_cast<TYPE*>(&c->Value[0]); 
     else 
      return 0; 
    } 

    /// @brief Deallocates a memory chunk (the destructor is not called) 
    /// @param c Point to the memory-chunk allocated by us. 
    void Deallocate(void* c) 
    { 
     if(c < static_cast<void*>(&Pool[0]) || c > static_cast<void*>(&Pool[SIZE])) 
      return; // was not allocated by us 
     char* p = static_cast<char*>(c); 
     p -= sizeof(SLIST_ENTRY); 
     CHUNK_TYPE* t = reinterpret_cast<CHUNK_TYPE*>(p); 
     InterlockedPushEntrySList(&Head, &t->Next); 
    } 
};