1. 引言

在多线程高并发领域，传统的互斥锁（mutex）虽然简单易用，但也会带来线程阻塞、上下文切换开销、死锁等问题。无锁编程（Lock-Free Programming）试图通过原子操作和巧妙的算法设计，在保证线程安全的前提下提高并发性能和系统响应速度。

当然，无锁编程也并非万能——设计、调试与维护都较为复杂，并且容易遇到 ABA 问题、伪失败（spurious failure）等挑战。

2. 基本概念

无锁保证：即使多个线程并发操作共享数据结构，也不会因为锁竞争而产生阻塞。它通常使用原子指令（atomic instruction）来确保操作的正确性。
原子操作：在无锁编程中，最常用的原子操作包括比较并交换（Compare-And-Swap，CAS）和原子加载/存储。比如，在 C11 标准中，通过提供了丰富的原子类型和操作函数。
ABA问题：在 CAS 操作中，假设你要将变量从 A 变成 B，但在检查过程中，变量经历了 A→C→A 的转变，CAS 仍然成功。可以使用带标签的指针、版本号等手段来缓解这一问题。
内存序（Memory Order）：对于原子操作，除了确保原子性之外，还需要考虑内存屏障和顺序问题。C11 为原子操作提供了多种内存序选项（如 memory_order_relaxed、memory_order_acquire、memory_order_release 等），帮助开发者平衡性能和正确性。

3. C语言中的无锁编程工具

3.1 使用 C11 标准的

C11 引入了标准的原子类型与原子操作，使得无锁编程的写法更加规范。例如：

定义原子变量：
#include

_Atomic(int) counter = 0;
atomic_store(&counter, 42);
比较并交换操作：
int expected = 42;
// 如果 counter 值为 expected，则更新为 43
atomic_compare_exchange_weak(&counter, &expected, 43);

引用这些原子操作时要注意内存序要求，根据具体场景选择合适的内存序模型。

3.2 编译器内建原子函数

在缺乏 C11 支持的环境下，也可以使用 GCC/Clang 提供的内建函数（例如
__sync_bool_compare_and_swap 或 __atomic_compare_exchange）。不过标准化的 C11 原子操作更推荐用于新项目开发。

4. 无锁数据结构示例 —— 无锁栈

以无锁栈为例，展示如何设计一个简单的无锁数据结构。下面给出使用 C11 原子操作实现的无锁栈示例代码。

4.1 数据结构定义

我们定义一个链表节点和用于表示栈的结构，此处栈的头指针为原子变量。

 #include 
 #include 
 #include 
 #include 
 
 typedef struct node {
     int data;
     struct node *next;
 } node_t;
 
 typedef struct {
     _Atomic(node_t*) head;
 } lockfree_stack_t;

4.2 栈的初始化

将栈的头指针初始化为 NULL：

 void stack_init(lockfree_stack_t *stack) {
     atomic_store(&stack->head, NULL);
 }

4.3 无锁入栈操作

无锁入栈（push）的主要思路是：

分配一个新节点，并将其 next 指向当前的栈顶；
利用 CAS 操作尝试将栈顶更新为新节点，如果在此过程中栈顶发生变化，则重试。

 void stack_push(lockfree_stack_t *stack, int value) {
     node_t *new_node = malloc(sizeof(node_t));
     if (!new_node) {
         perror("malloc");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }
     new_node->data = value;
     node_t *old_head;
 
     // 循环尝试更新栈顶
     do {
         old_head = atomic_load(&stack->head);
         new_node->next = old_head;
     } while (!atomic_compare_exchange_weak(&stack->head, &old_head, new_node));
 }

4.4 无锁出栈操作

同理，出栈（pop）操作也利用 CAS：

读取当前栈顶，如果为空则返回失败；
尝试将栈顶更新为头节点的下一个节点，更新成功后返回节点数据并释放该节点。

 bool stack_pop(lockfree_stack_t *stack, int *result) {
     node_t *old_head;
     // 重复尝试直到成功或者发现栈为 NULL
     do {
         old_head = atomic_load(&stack->head);
         if (old_head == NULL)
             return false;  // 栈为空
     } while (!atomic_compare_exchange_weak(&stack->head, &old_head, old_head->next));
     
     *result = old_head->data;
     free(old_head);
     return true;
 }

4.5 完整示例

下面是一份完整示例代码，可编译并运行，演示无锁栈的基本用法：

 #include 
 #include 
 #include 
 #include 
 
 // 链表节点
 typedef struct node {
     int data;
     struct node *next;
 } node_t;
 
 // 无锁栈结构，头指针为原子变量
 typedef struct {
     _Atomic(node_t*) head;
 } lockfree_stack_t;
 
 // 初始化栈
 void stack_init(lockfree_stack_t *stack) {
     atomic_store(&stack->head, NULL);
 }
 
 // 入栈操作
 void stack_push(lockfree_stack_t *stack, int value) {
     node_t *new_node = malloc(sizeof(node_t));
     if (!new_node) {
         perror("malloc");
         exit(EXIT_FAILURE);
     }
     new_node->data = value;
     node_t *old_head;
     do {
         old_head = atomic_load(&stack->head);
         new_node->next = old_head;
     } while (!atomic_compare_exchange_weak(&stack->head, &old_head, new_node));
 }
 
 // 出栈操作
 bool stack_pop(lockfree_stack_t *stack, int *result) {
     node_t *old_head;
     do {
         old_head = atomic_load(&stack->head);
         if (old_head == NULL)
             return false;
     } while (!atomic_compare_exchange_weak(&stack->head, &old_head, old_head->next));
     
     *result = old_head->data;
     free(old_head);
     return true;
 }
 
 // 测试程序
 int main(void) {
     lockfree_stack_t stack;
     stack_init(&stack);
 
     // 入栈测试
     for (int i = 0; i < 10; i++) {
         stack_push(&stack, i);
         printf("Push: %d\n", i);
     }
 
     // 出栈测试
     int value;
     while (stack_pop(&stack, &value)) {
         printf("Pop: %d\n", value);
     }
 
     return 0;
 }

编译时确保支持 C11 标准，例如使用 GCC 编译命令：

 gcc -std=c11 -O2 -pthread lockfree_stack.c -o lockfree_stack

5. 内存序与同步

在无锁编程中，内存序（memory order）的合理设置非常重要。上面示例中使用的函数（例如 atomic_load 和
atomic_compare_exchange_weak）默认使用的内存序可以满足一般需求，但在更复杂的情形下，可能需要显式指定内存序，例如：

memory_order_relaxed：仅保证原子性，不设定顺序；
memory_order_acquire / memory_order_release：分别用于加载和存储操作，确保读写的先后顺序；
memory_order_seq_cst：提供最强内存序顺序。

选择恰当的内存序往往能在不牺牲正确性的前提下提升性能。

6. 常见问题与注意事项

ABA问题：上述示例中未采用额外措施防止 ABA 问题。在更严格的场景下，可以引入“版本号”或“标签指针”（tagged pointer）来缓解此问题。
内存回收：无锁数据结构中，当节点被删除后，其他线程可能仍在访问该节点，必须谨慎设计内存回收机制，如使用 Hazard Pointers 或 Read-Copy-Update (RCU) 技术。
算法复杂度：无锁算法通常涉及大量循环重试（CAS 循环），在高竞争环境下可能导致性能下降，设计时需权衡并发性与重试代价。
调试困难：无锁程序的并发行为往往难以重现，建议增加日志、使用并发测试工具或专用的无锁调试工具辅助发现问题。

7. 扩展阅读

C11 原子操作标准
关于 ABA 问题的研究与解决方案（版本号、双宽 CAS 等）
论文《The Art of Multiprocessor Programming》，深入探讨无锁数据结构

希望能为你探索 C 语言无锁编程提供有效思路，也欢迎你继续探索其他无锁数据结构如无锁队列、无锁链表等应用场景，进而构建高性能的并发应用。

C语言无锁编程指南

1. 引言

2. 基本概念

3. C语言中的无锁编程工具

3.1 使用 C11 标准的

3.2 编译器内建原子函数

4. 无锁数据结构示例 —— 无锁栈

4.1 数据结构定义

4.2 栈的初始化

4.3 无锁入栈操作

4.4 无锁出栈操作

4.5 完整示例

5. 内存序与同步

6. 常见问题与注意事项

7. 扩展阅读

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