C语言无锁编程入门指南（掌握CAS与无锁队列实现多线程并发）

核心概念：CAS 原子操作

CAS（Compare-And-Swap）是无锁编程的基石。它的语义是：

如果内存中的值等于预期值，则将其更新为新值；否则不做任何操作。整个过程是原子的，不会被其他线程打断。

在 C 语言中，我们可以使用 GCC 提供的内置函数 __atomic_compare_exchange_n 或 __sync_bool_compare_and_swap 来实现 CAS。

实战：实现一个简单的无锁栈

下面我们将用 C 语言实现一个基于链表的无锁栈（LIFO），它支持多线程安全的 push 和 pop 操作。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <stdatomic.h>typedef struct Node {    int data;    struct Node* next;} Node;typedef struct {    _Atomic(Node*) top;} LockFreeStack;void stack_init(LockFreeStack* stack) {    atomic_init(&stack->top, NULL);}void stack_push(LockFreeStack* stack, int value) {    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));    new_node->data = value;    Node* old_top;    do {        old_top = atomic_load(&stack->top);        new_node->next = old_top;    } while (!atomic_compare_exchange_weak(        &stack->top, &old_top, new_node));}int stack_pop(LockFreeStack* stack, int* result) {    Node* old_top;    Node* new_top;    do {        old_top = atomic_load(&stack->top);        if (old_top == NULL) {            return 0; // 栈为空        }        new_top = old_top->next;    } while (!atomic_compare_exchange_weak(        &stack->top, &old_top, new_top));    *result = old_top->data;    free(old_top);    return 1;}// 示例使用int main() {    LockFreeStack stack;    stack_init(&stack);    stack_push(&stack, 10);    stack_push(&stack, 20);    int val;    if (stack_pop(&stack, &val)) {        printf("Popped: %d\n", val);    }    return 0;}

这段代码展示了如何利用 atomic_compare_exchange_weak 实现线程安全的入栈和出栈操作。关键在于：即使多个线程同时修改 top 指针，CAS 也能确保只有一个线程成功，失败的线程会重试直到成功。

注意事项与挑战

虽然 无锁队列 和无锁栈能提升性能，但无锁编程也有其复杂性：

• ABA 问题：指针值看似未变，但中间已被释放并重新分配。可通过“带标签指针”解决。
• 内存回收：不能立即 free 被删除的节点，需使用 Hazard Pointer 或 RCU 等技术。
• 调试困难：竞态条件难以复现，建议使用 TSan（ThreadSanitizer）等工具检测。

总结

通过本文，你已经掌握了 C语言无锁编程 的基本原理，并学会了使用 CAS原子操作 构建线程安全的数据结构。虽然真正的工业级 多线程并发编程 更为复杂，但这个入门示例为你打下了坚实基础。

记住：无锁 ≠ 无代价。只有在高并发、低延迟场景下才值得投入精力实现无锁结构。对于大多数应用，合理使用 mutex 已足够高效。

关键词回顾：C语言无锁编程、无锁队列、CAS原子操作、多线程并发编程。