Eine blockierungsfreie threadsichere Speicherpoolimplementierung

Question

Ich brauchte einen einfachen nicht blockierenden statischen Blockspeicherpool. Ich habe solche im Internet nicht gefunden. Also jeder, der eine solche Lösung braucht. Dieser ist kostenlos ... funktioniert nur auf Win32.

Mit freundlichen Grüßen,

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 

Und die 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

Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass es eine Race-Bedingung in malloc:

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

Betrachten Sie die folgende Folge von Operationen aus:

1. Anfangs Root = A, A->next = B, ...
2. Ein Thread liest r = Root so r = A und (in einem Register) liest ecx = r->Next = B
3. Initial Thread preempted (oder auf einer anderen CPU) eine Reihe von malloc und free auftreten, so dass A für eine Weile verwendet und zuletzt befreit wird.
4. Neue Liste Zustand ist Root = A, A->next = ZZZ, ...
5. Original-Thread aufwacht und tut cmpxchg und es gelingt ihm, weil Root == r == A und damit Root = ecx = B
6. nun Ihre Liste setzt beschädigt ist.

Sie können dieses Problem lösen, wenn Sie ein Doppelwort haben cmpxchg, wie cmpxchg8b. Sie fügen nur eine Seriennummer neben dem Listenkopf ein, damit der Vergleich fehlschlägt, wenn Sie wie in (3) oben unterbrochen werden. Die free Seite kann die schmale Version verwenden, solange jede malloc beide die Zeiger und tauscht die Seriennummer umtauscht.

Answer 2

Vielen Dank für Kommentare. Dieser kann mit WinXP und neuer verwendet werden. Die zuvor erwähnte Implementierung kann weiterhin mit einer PowerPC-Architektur verwendet werden (wenn Sie eine geeignete Implementierung von CompareAndSwap haben, siehe "http://publib.boulder.ibm.com/infocenter/aix/v6r1/topic/com.ibm.aix". aixassem/doc/alangref/stwcx.htm ").

Mit freundlichen Grüßen,

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); 
    } 
};