C语言无锁编程实战指南（深入浅出lock-free算法与原子操作）

核心工具：原子操作与内存屏障

在C11标准中，引入了<stdatomic.h>头文件，提供了对原子操作的原生支持。常用的原子类型包括atomic_int、atomic_uintptr_t等，而atomic_compare_exchange_strong是实现CAS的关键函数。

同时，为了防止编译器或CPU对指令重排序导致逻辑错误，我们需要使用内存屏障（Memory Barrier）来确保操作顺序。C11通过内存序（memory_order）参数控制，如memory_order_relaxed、memory_order_acquire等。

实战：用C实现一个无锁栈

下面是一个基于链表的无锁栈（Lock-Free Stack）实现。多个线程可以同时执行push和pop操作而无需加锁。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <stdatomic.h>#include <pthread.h>// 栈节点结构typedef struct Node {    int data;    struct Node* next;} Node;// 无锁栈结构typedef struct {    atomic_uintptr_t head; // 使用原子指针存储栈顶} LockFreeStack;// 初始化栈void stack_init(LockFreeStack* stack) {    atomic_init(&stack->head, (uintptr_t)NULL);}// 入栈操作void stack_push(LockFreeStack* stack, int value) {    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));    new_node->data = value;    uintptr_t old_head = atomic_load(&stack->head);    do {        new_node->next = (Node*)old_head;        // 尝试用CAS将new_node设为新的head    } while (!atomic_compare_exchange_weak(        &stack->head,        &old_head,        (uintptr_t)new_node,        memory_order_release,        memory_order_relaxed    ));}// 出栈操作int stack_pop(LockFreeStack* stack, int* result) {    uintptr_t old_head = atomic_load(&stack->head);    Node* node;    do {        if (old_head == (uintptr_t)NULL) {            return 0; // 栈空        }        node = (Node*)old_head;    } while (!atomic_compare_exchange_weak(        &stack->head,        &old_head,        (uintptr_t)node->next,        memory_order_acquire,        memory_order_relaxed    ));    *result = node->data;    free(node);    return 1; // 成功弹出}

关键点解析

• atomic_compare_exchange_weak：这是一个“弱”版本的CAS，可能在未发生竞争时也失败（spurious failure），因此需要放在循环中重试。
• 内存序选择：push使用memory_order_release确保写入对其他线程可见；pop使用memory_order_acquire确保读取到最新值。
• ABA问题：本例未处理ABA问题（即指针值相同但中间已被释放并重新分配）。在生产环境中，可使用带版本号的指针（tagged pointer）解决。

总结

通过本文，你已经掌握了C语言无锁编程的基本原理和实现方法。虽然lock-free算法编写难度较高，调试复杂，但在性能敏感场景下具有不可替代的优势。

记住三大核心要素：原子操作、内存屏障和循环重试机制。建议在实际项目中先使用成熟的无锁库（如liblfds），再逐步深入底层实现。

延伸阅读：Linux内核中的RCU机制、Disruptor模式、无锁队列设计。