本發(fā)明屬于并行算法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種多核環(huán)境下基于數(shù)組結(jié)構(gòu)的無(wú)等待棧操作方法。

背景技術(shù)：

隨著多核處理器的迅猛普及，計(jì)算機(jī)編程模式由傳統(tǒng)串行編程模式向線(xiàn)程級(jí)并行編程模式轉(zhuǎn)變，以發(fā)揮出與核數(shù)量的增長(zhǎng)相一致的實(shí)際效果。共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(例如：棧和隊(duì)列)作為線(xiàn)程間通信的常用手段，是多線(xiàn)程應(yīng)用的重要組成結(jié)構(gòu)。為了確保多線(xiàn)程應(yīng)用高效運(yùn)行于多核平臺(tái)，需要設(shè)計(jì)高性能的并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此外，進(jìn)度保障是并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要提供的另一大特性。并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通常可分為阻塞和非阻塞這兩大類(lèi)。如果線(xiàn)程對(duì)阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操作，它可能首先需要等待另一個(gè)線(xiàn)程操作的完成。因此，阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)引發(fā)諸如死鎖和優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)等問(wèn)題。

非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以確保被暫停的操作不會(huì)阻塞其它操作，從而避免上述阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的問(wèn)題。非阻塞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供以下三個(gè)層次的進(jìn)度保障：

無(wú)阻礙：保障系統(tǒng)中一個(gè)孤立運(yùn)行的線(xiàn)程能夠在有限步驟內(nèi)完成任意操作；

無(wú)鎖：保障系統(tǒng)中若干線(xiàn)程能夠在有限步驟內(nèi)完成任意操作；

無(wú)等待：保障系統(tǒng)中每個(gè)線(xiàn)程都能夠在有限步驟內(nèi)完成任意操作。

無(wú)等待是并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以提供的最強(qiáng)進(jìn)度保障，該特性對(duì)于多線(xiàn)程應(yīng)用和操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)彌足珍貴，尤其是當(dāng)它們運(yùn)行于高爭(zhēng)用環(huán)境下的時(shí)候(例如：云計(jì)算環(huán)境)。但是，無(wú)等待數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往比較復(fù)雜，且性能較低下。例如，當(dāng)前表現(xiàn)最好的無(wú)等待棧算法的執(zhí)行速度，甚至低于一種基于結(jié)合技術(shù)的阻塞棧算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了一種多核環(huán)境下基于數(shù)組結(jié)構(gòu)的無(wú)等待棧操作方法，其目的在于保持高效執(zhí)行的前提下，為線(xiàn)程的操作提供無(wú)等待的進(jìn)度保障。棧的基本操作包括入棧、出棧、取棧頂元素、判斷空等；其中，僅入棧和出棧操作會(huì)對(duì)棧進(jìn)行修改；因此，與現(xiàn)有并行棧算法類(lèi)似，本發(fā)明僅關(guān)注入棧和出棧操作；本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，本發(fā)明經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改就能支持棧的其它操作。

本發(fā)明公開(kāi)的多核環(huán)境下基于數(shù)組結(jié)構(gòu)的無(wú)等待棧操作方法總體流程如下：

(1)主程序初始化代表?xiàng)５娜謹(jǐn)?shù)組，即分配一個(gè)包含N個(gè)數(shù)組元素的段，用于后續(xù)存放入棧數(shù)據(jù)；其中，每個(gè)數(shù)組元素包含用于存儲(chǔ)入棧數(shù)據(jù)的變量val，指向入棧請(qǐng)求的指針push，以及指向出棧請(qǐng)求的指針pop，push和pop的初始值均為0；

(2)設(shè)置初始值為0的全局共享變量T和pc；其中，T為棧頂索引，pc用于指示后續(xù)出棧請(qǐng)求的標(biāo)識(shí)符；

(3)啟動(dòng)m個(gè)線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程th_i(i＝0,1,2,…,m-1)維護(hù)一個(gè)handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量h_i來(lái)存儲(chǔ)自己的運(yùn)行狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)還包含指針next、入棧伙伴指針和出?；锇橹羔?；其中，每個(gè)線(xiàn)程的入棧伙伴指針和出?；锇橹羔樉跏贾赶虮揪€(xiàn)程；

(4)利用線(xiàn)程handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型變量中的指針next，將所有線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)鏈接為環(huán)狀，即h_i(i＝0,1,2,…,m-2)的next指針指向h_i+1，h_m-1的next指針指向h₀，使任意線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)到其它線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)；

(5)主程序等待接收線(xiàn)程對(duì)棧進(jìn)行操作的請(qǐng)求；

(6)當(dāng)任意線(xiàn)程th_i(i＝0,1,2,…,m-1)要對(duì)棧進(jìn)行操作時(shí)，如果th_i的操作請(qǐng)求為入棧請(qǐng)求，th_i執(zhí)行無(wú)等待入棧操作；如果th_i的操作請(qǐng)求為出棧請(qǐng)求，th_i執(zhí)行無(wú)等待出棧操作；如果th_i的操作請(qǐng)求為棧的銷(xiāo)毀請(qǐng)求，主程序會(huì)首先銷(xiāo)毀棧，然后包括主程序在內(nèi)的所有線(xiàn)程結(jié)束執(zhí)行；對(duì)于棧的銷(xiāo)毀請(qǐng)求之外的情況，主程序立刻繼續(xù)步驟(5)。

本發(fā)明提供的無(wú)等待入棧操作會(huì)首先利用比較并交換(Compare and Swap，CAS)原子操作，嘗試將入棧數(shù)據(jù)直接存入棧頂元素的val變量，當(dāng)存入失敗的次數(shù)超過(guò)給定閾值P后，會(huì)在本線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)中公布本次入棧請(qǐng)求；其它線(xiàn)程會(huì)在執(zhí)行無(wú)等待出棧操作時(shí)的必要情況下，嘗試為該入棧請(qǐng)求指定合適的入棧位置，以協(xié)助該入棧請(qǐng)求的完成；任意線(xiàn)程th_i執(zhí)行無(wú)等待入棧操作的具體步驟如下：

(2-1)利用獲取并自加(Fetch and add,FAA)原子操作，對(duì)棧頂索引T進(jìn)行原子加一，獲取入棧位置索引i，即執(zhí)行i＝FAA(&T,1)；設(shè)置初始值為0的變量push_failures，用于指示將v存入全局?jǐn)?shù)組失敗的次數(shù)；

(2-2)如果全局?jǐn)?shù)組的當(dāng)前長(zhǎng)度小于i+1，首先通過(guò)分配更多包含N個(gè)數(shù)組元素的段，將數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)展為不小于i+1；在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為i的元素，并將變量c設(shè)置為該元素，并利用CAS操作，嘗試將入棧數(shù)據(jù)v存入c的val變量；當(dāng)且僅當(dāng)c的val變量尚未被其它入?；虺鰲２僮鞔嫒霐?shù)據(jù)時(shí)，v才能被成功存入c的val變量；其中，索引為i的元素指全局?jǐn)?shù)組中第i+1個(gè)元素；

(2-3)判斷數(shù)據(jù)v是否被成功存入c的val變量，如果是，結(jié)束本次入棧操作；否則，執(zhí)行push_failures＝push_failures+1，進(jìn)入步驟(2-4)；

(2-4)判斷push_failures是否大于閾值P，如果是，在本線(xiàn)程th_i的運(yùn)行狀態(tài)中公布本次入棧請(qǐng)求r，并將r的標(biāo)識(shí)符設(shè)置為入棧位置索引i的當(dāng)前值，用于確保v不會(huì)被存入索引小于當(dāng)前i值的元素，從而滿(mǎn)足棧的后進(jìn)先出語(yǔ)義，進(jìn)入步驟(2-5)；否則，轉(zhuǎn)步驟(2-1)；

(2-5)執(zhí)行i＝FAA(&T,1)，即獲取入棧位置索引i；

(2-6)如果全局?jǐn)?shù)組的當(dāng)前長(zhǎng)度小于i+1，首先通過(guò)分配更多包含N個(gè)數(shù)組元素的段，將數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)展為不小于i+1；在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為i的元素，并將變量c設(shè)置為該元素，并利用CAS操作，嘗試將c的push指針從0改為指向r；當(dāng)且僅當(dāng)c的push指針值為0時(shí)，才會(huì)成功指向r；

(2-7)判斷c的push指針是否指向r，如果是，嘗試將c指定為r的入棧位置；否則，轉(zhuǎn)步驟(2-9)；

(2-8)判斷c是否指定為r的入棧位置，如果是，轉(zhuǎn)步驟(2-10)；

(2-9)判斷r是否已有指定元素進(jìn)行入棧，如果是，進(jìn)入步驟(2-10)；否則，轉(zhuǎn)步驟(2-5)；

(2-10)將v存入r被指定的入棧元素的val變量中，結(jié)束本次入棧操作。

本發(fā)明提供的無(wú)等待出棧操作會(huì)首先讀取棧頂索引，然后從該索引所指的位置開(kāi)始，朝索引值遞減的方向依次嘗試從相應(yīng)元素出棧，當(dāng)出棧失敗的次數(shù)超過(guò)給定閾值P后，會(huì)在本線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)中公布本次出棧請(qǐng)求；其它線(xiàn)程會(huì)在執(zhí)行無(wú)等待出棧操作時(shí)的必要情況下，嘗試為該出棧請(qǐng)求指定合適的出棧位置，以協(xié)助該出棧請(qǐng)求的完成；任意線(xiàn)程th_i執(zhí)行無(wú)等待出棧操作的具體步驟如下：

(3-1)讀取棧頂索引的值，并將該值存入一變量t；如果全局?jǐn)?shù)組的當(dāng)前長(zhǎng)度小于t+1，首先通過(guò)分配更多包含N個(gè)數(shù)組元素的段，將數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)展為不小于t+1；在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為t的元素，并將變量c設(shè)置為該元素；

(3-2)設(shè)置初始值為0的變量pop_failures，用于記錄出棧失敗的次數(shù)；

(3-3)判斷c是否為棧底，如果是，返回空，結(jié)束本次出棧操作；否則，首先執(zhí)行t＝t-1，然后在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為t的元素，并將c設(shè)置為該元素；

(3-4)將c作為快速出棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用快速出棧函數(shù)；當(dāng)且僅當(dāng)快速出棧函數(shù)的返回值為1時(shí)，本次出棧操作才能從c中出棧；

(3-5)判斷快速出棧函數(shù)的返回值是否為1，如果是，轉(zhuǎn)步驟(3-11)；否則，執(zhí)行pop_failures＝pop_failures+1；

(3-6)判斷pop_failures是否大于P，如果是，在本線(xiàn)程th_i的運(yùn)行狀態(tài)中公布本次出棧請(qǐng)求q，并在q中記錄c及其索引值，q的標(biāo)識(shí)符通過(guò)對(duì)共享變量pc進(jìn)行原子加一操作來(lái)獲取，即q的標(biāo)識(shí)符＝FAA(&pc,1)；否則，轉(zhuǎn)步驟(3-3)；

(3-7)將本線(xiàn)程th_i的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量h作為幫助出棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助出棧函數(shù)；當(dāng)幫助出棧函數(shù)返回時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程th_i可以從q中獲取最終出棧結(jié)果；

(3-8)判斷出棧結(jié)果是否為空，如果是，返回空，結(jié)束本次出棧操作；否則，從q中讀取指定出棧元素，并將c設(shè)置為該元素；當(dāng)前線(xiàn)程th_i可以從q中獲取最終出棧結(jié)果，分為兩種情況：(1)返回空；(2)有指定出棧元素。

(3-9)統(tǒng)計(jì)c所在段s中已出棧元素和無(wú)用元素的總數(shù)n；

(3-10)判斷n是否等于N，如果是，刪除s然后進(jìn)行步驟(3-11)，否則直接進(jìn)行步驟(3-11)；其中，N為s所包含的數(shù)組元素的總數(shù)；

(3-11)假定當(dāng)前出?；锇橹羔?biāo)赶虻木€(xiàn)程為th，將th維護(hù)的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量h作為幫助出棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助出棧函數(shù)；

(3-12)假定h的next指針指向h’，將線(xiàn)程th_i的出棧伙伴指針指向h’對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程；

(3-13)返回c的val變量存放的值，即完成出棧，結(jié)束本次出棧操作。

進(jìn)一步，無(wú)等待出棧操作的特征在于，步驟(3-4)需要調(diào)用快速出棧函數(shù)，該函數(shù)包括如下步驟：

(4-1)讀取本函數(shù)的輸入元素c，將c作為幫助入棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助入棧函數(shù)；

(4-2)競(jìng)爭(zhēng)c的出棧權(quán)，即利用CAS操作，嘗試將c的pop指針從0改為-1；如果CAS操作的返回值非0，說(shuō)明競(jìng)爭(zhēng)成功；

(4-3)判斷競(jìng)爭(zhēng)是否成功，如果是，統(tǒng)計(jì)c所在段s中已出棧元素和無(wú)用元素的總數(shù)n，執(zhí)行步驟(4-4)；否則，從c中出棧失敗，返回0，結(jié)束快速出棧函數(shù)的執(zhí)行；

(4-4)判斷n是否等于N，如果是，刪除s；其中，N為s所包含的數(shù)組元素的總數(shù)；

(4-5)判斷c的val變量是否存放有效值，如果是，則從c中出棧成功，返回1；否則，從c中出棧失敗，返回0。

進(jìn)一步，無(wú)等待出棧操作的特征在于，步驟(3-7)和步驟(3-11)需要調(diào)用幫助出棧函數(shù)，該函數(shù)包括如下步驟：

(5-1)讀取本函數(shù)的輸入?yún)?shù)h；

(5-2)通過(guò)讀取h中存儲(chǔ)的運(yùn)行狀態(tài)，判斷與h對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程是否存在需要幫助的出棧請(qǐng)求q，如果是，進(jìn)入步驟(5-3)；否則，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；

(5-3)讀取q中記錄的元素c和c的索引，并將c的索引賦值給變量i；

(5-4)判斷c是否為棧底，如果是，嘗試指定q的出棧結(jié)果為返回空，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；否則，執(zhí)行i＝i-1，在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為i的元素，并將變量c設(shè)置為該元素；

(5-5)將c作為幫助入棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助入棧函數(shù)；

(5-6)競(jìng)爭(zhēng)c的出棧權(quán)，即利用CAS操作，嘗試將c的pop指針從0改為指向q，并使用變量ret保存CAS操作的返回值；

(5-7)判斷c的pop指針是否指向q，如果是，進(jìn)入步驟(5-8)；否則，轉(zhuǎn)步驟(5-11)；

(5-8)判斷c的val變量是否存放有效值，如果是，嘗試指定q從c中出棧，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；

(5-9)判斷ret是否為0，如果是，轉(zhuǎn)步驟(5-11)；否則，統(tǒng)計(jì)c所在段s中已出棧元素和無(wú)用元素的總數(shù)n；

(5-10)判斷n是否等于N，如果是，刪除s，然后執(zhí)行步驟(5-11)；如果n不等于N，則執(zhí)行(5-11)；

(5-11)判斷q是否已被指定出棧結(jié)果，如果是，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；否則，轉(zhuǎn)步驟(5-4)。

進(jìn)一步，快速出棧函數(shù)和幫助出棧函數(shù)的特征在于，步驟(4-1)和步驟(5-5)需要調(diào)用幫助入棧函數(shù)，該函數(shù)包括如下步驟：

(6-1)讀取本函數(shù)的輸入元素c，如果c的val變量中尚未存放有效值，則利用CAS操作，嘗試將無(wú)效值存入c的val變量中，使c成為無(wú)用元素；

(6-2)判斷c的val變量是否存放有效值，如果是，結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行；

(6-3)判斷c的push指針是否已指向某入棧請(qǐng)求，如果是，轉(zhuǎn)步驟(6-11)；否則，讀取本線(xiàn)程th_i的入?；锇橹羔?biāo)赶虻木€(xiàn)程，并將變量th設(shè)置為該線(xiàn)程；

(6-4)判斷本線(xiàn)程th_i是否在本周期內(nèi)嘗試幫助過(guò)th入棧，并且相應(yīng)入棧請(qǐng)求已完成，如果否，則直接進(jìn)行步驟(6-5)；如果是，則假定th維護(hù)的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量為h，h的next指針指向h’，將th設(shè)置為h’對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程，并使本線(xiàn)程th_i的入?；锇橹羔樦赶騮h；

(6-5)判斷th是否有需要幫助的入棧請(qǐng)求r’，如果是，進(jìn)入步驟(6-6)；否則，轉(zhuǎn)步驟(6-8)；

(6-6)判斷r’的標(biāo)識(shí)符是否小于或等于c的索引，如果是，嘗試將c預(yù)留給r’，即利用CAS操作，嘗試將c的push指針從0改為指向r’，若成功，CAS操作的返回值為非0；否則，轉(zhuǎn)步驟(6-8)；

(6-7)判斷是否成功將c預(yù)留給r’，如果是，進(jìn)入步驟(6-8)；否則，轉(zhuǎn)步驟(6-9)；

(6-8)假定th維護(hù)的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量為h，h的next指針指向h’，將本線(xiàn)程th_i的入?；锇橹羔樦赶騢’對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程；

(6-9)如果c的push指針當(dāng)前值為0，則利用CAS操作，嘗試將c的push指針從0更改為-1；經(jīng)過(guò)該步驟的處理，c的push指針要么被其它線(xiàn)程設(shè)置為指向某入棧請(qǐng)求，要么被設(shè)置為-1；

(6-10)判斷c的push指針是否為-1，如果是，結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行；否則，進(jìn)入步驟(6-11)；

(6-11)讀取c的push指針指向的入棧請(qǐng)求r；

(6-12)判斷r的標(biāo)識(shí)符是否小于或等于c的索引，如果是，嘗試將c指定為r的入棧位置；否則，結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行；

(6-13)判斷c是否指定為r的入棧位置，如果是，將r的數(shù)據(jù)v存入c的val變量；結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行。

與已公開(kāi)的方法相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)高并行度：現(xiàn)有并行棧算法主要利用帶有棧頂指針的單向鏈表來(lái)建立棧結(jié)構(gòu)；當(dāng)線(xiàn)程需要執(zhí)行入?；虺鰲２僮鲿r(shí)，需要反復(fù)執(zhí)行CAS操作，嘗試修改棧頂指針，直到CAS操作成功為止；在這類(lèi)棧算法中，棧頂指針是線(xiàn)程的唯一競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)，使多個(gè)線(xiàn)程只能順序執(zhí)行入棧和出棧操作，極大限制了棧算法的并行度，從而無(wú)法充分利用多核平臺(tái)強(qiáng)大的計(jì)算資源；為了提高棧算法的并行度，本發(fā)明利用數(shù)組來(lái)建立棧結(jié)構(gòu)，分散線(xiàn)程的競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)，從而提高入棧和出棧操作并行執(zhí)行的可能性；此外，由于一個(gè)數(shù)組元素可能存放的是無(wú)效值或已出棧，為了方便清理這些元素占據(jù)的內(nèi)存空間，本發(fā)明將全局?jǐn)?shù)組劃分為多個(gè)段，當(dāng)一個(gè)段中的所有元素都存放的是無(wú)效值或已出棧時(shí)，會(huì)刪除該段并釋放它的內(nèi)存空間。

2)低復(fù)雜度：在基于鏈表的棧算法中，由于棧頂指針在同一時(shí)刻僅能被一個(gè)線(xiàn)程成功修改，某線(xiàn)程會(huì)因?yàn)槠渌€(xiàn)程的阻礙而無(wú)法完成入?；虺鰲２僮?；為了提供無(wú)等待的進(jìn)度保障，現(xiàn)有方法往往需要在所有操作中添加復(fù)雜的控制流程，從而犧牲了算法的性能；本發(fā)明提供的無(wú)等待棧算法將入棧操作分散到不同數(shù)組元素，使入棧操作僅會(huì)因?yàn)槌鰲２僮鞯淖璧K而失敗，并且入棧操作不會(huì)阻礙出棧操作的執(zhí)行，因此僅需在出棧操作中添加控制流程，保障其它線(xiàn)程能在有限步驟內(nèi)完成相應(yīng)操作，該算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，方便應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中；

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明所基于的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

圖2是本發(fā)明的總體流程；

圖3是無(wú)等待入棧操作的執(zhí)行流程；

圖4是無(wú)等待出棧操作的執(zhí)行流程；

圖5是快速出棧函數(shù)的執(zhí)行流程；

圖6是幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行流程；

圖7是幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行流程。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明利用如圖1所示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建棧，將全局?jǐn)?shù)組劃分為多個(gè)包含N個(gè)數(shù)組元素的段，并且段與段之間構(gòu)成雙向鏈表結(jié)構(gòu)。其中，每個(gè)段都有唯一標(biāo)識(shí)符id，指向下一個(gè)段的next指針，指向前一個(gè)段的prev指針，以及用于統(tǒng)計(jì)已出棧元素和無(wú)用元素?cái)?shù)量的變量counter。例如，標(biāo)識(shí)符為1的段的prev和next指針，分別指向標(biāo)識(shí)符為0和2的段。全局?jǐn)?shù)組中的第一個(gè)段的prev指針和最后一個(gè)段的next指針則為空。此外，假定某數(shù)組元素的全局索引為i，那么它對(duì)應(yīng)于標(biāo)識(shí)符為i/N的段中第i％N+1個(gè)數(shù)組元素。本發(fā)明在棧的初始化階段僅分配一個(gè)段，在程序執(zhí)行期間再按需分配更多段。

本發(fā)明公開(kāi)的多核環(huán)境下基于數(shù)組結(jié)構(gòu)的無(wú)等待棧操作方法總體流程如圖2所示，其步驟為：

(1)主程序初始化代表?xiàng)５娜謹(jǐn)?shù)組，即分配一個(gè)包含N個(gè)數(shù)組元素的段，用于后續(xù)存放入棧數(shù)據(jù)；其中，每個(gè)數(shù)組元素包含用于存儲(chǔ)入棧數(shù)據(jù)的變量val，指向入棧請(qǐng)求的指針push，以及指向出棧請(qǐng)求的指針pop，push和pop的初始值均為0；

(2)設(shè)置初始值為0的全局共享變量T和pc；其中，T為棧頂索引，pc用于指示后續(xù)出棧請(qǐng)求的標(biāo)識(shí)符；

(3)啟動(dòng)m個(gè)線(xiàn)程，每個(gè)線(xiàn)程th_i(i＝0,1,2,…,m-1)維護(hù)一個(gè)handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量h_i來(lái)存儲(chǔ)自己的運(yùn)行狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)還包含指針next、入棧伙伴指針和出?；锇橹羔?；其中，每個(gè)線(xiàn)程的入棧伙伴指針和出?；锇橹羔樉跏贾赶虮揪€(xiàn)程；

(4)利用線(xiàn)程handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型變量中的指針next，將所有線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)鏈接為環(huán)狀，即h_i(i＝0,1,2,…,m-2)的next指針指向h_i+1，h_m-1的next指針指向h₀，使任意線(xiàn)程可以訪(fǎng)問(wèn)到其它線(xiàn)程的運(yùn)行狀態(tài)；

(5)主程序等待接收線(xiàn)程對(duì)棧進(jìn)行操作的請(qǐng)求；

(6)當(dāng)任意線(xiàn)程th_i(i＝0,1,2,…,m-1)要對(duì)棧進(jìn)行操作時(shí)，如果th_i的操作請(qǐng)求為入棧請(qǐng)求，th_i執(zhí)行無(wú)等待入棧操作；如果th_i的操作請(qǐng)求為出棧請(qǐng)求，th_i執(zhí)行無(wú)等待出棧操作；如果th_i的操作請(qǐng)求為棧的銷(xiāo)毀請(qǐng)求，主程序會(huì)首先銷(xiāo)毀棧，然后包括主程序在內(nèi)的所有線(xiàn)程結(jié)束執(zhí)行；對(duì)于棧的銷(xiāo)毀請(qǐng)求之外的情況，主程序立刻繼續(xù)步驟(5)。

本發(fā)明提供的無(wú)等待入棧操作流程如圖3所示，具體步驟如下：

(2-1)對(duì)棧頂索引T進(jìn)行原子加一，獲取入棧位置索引i，即執(zhí)行i＝FAA(&T,1)；設(shè)置初始值為0的變量push_failures，用于指示將v存入全局?jǐn)?shù)組失敗的次數(shù)；

(2-2)如果全局?jǐn)?shù)組的當(dāng)前長(zhǎng)度小于i+1，首先通過(guò)分配更多包含N個(gè)數(shù)組元素的段，將數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)展為不小于i+1；在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為i的元素，并將變量c設(shè)置為該元素，并利用CAS操作，嘗試將入棧數(shù)據(jù)v存入c的val變量；當(dāng)且僅當(dāng)c的val變量尚未被其它入?；虺鰲２僮鞔嫒霐?shù)據(jù)時(shí)，v才能被成功存入c的val變量；其中，索引為i的元素指全局?jǐn)?shù)組中第i+1個(gè)元素；

(2-3)判斷數(shù)據(jù)v是否被成功存入c的val變量，如果是，結(jié)束本次入棧操作；否則，執(zhí)行push_failures＝push_failures+1，進(jìn)入步驟(2-4)；

(2-4)判斷push_failures是否大于閾值P，如果是，在本線(xiàn)程th_i的運(yùn)行狀態(tài)中公布本次入棧請(qǐng)求r，并將r的標(biāo)識(shí)符設(shè)置為入棧位置索引i的當(dāng)前值，用于確保v不會(huì)被存入索引小于當(dāng)前i值的元素，從而滿(mǎn)足棧的后進(jìn)先出語(yǔ)義，進(jìn)入步驟(2-5)；否則，轉(zhuǎn)步驟(2-1)；

(2-5)執(zhí)行i＝FAA(&T,1)；

(2-6)如果全局?jǐn)?shù)組的當(dāng)前長(zhǎng)度小于i+1，首先通過(guò)分配更多包含N個(gè)數(shù)組元素的段，將數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)展為不小于i+1；在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為i的元素，并將變量c設(shè)置為該元素，并利用CAS操作，嘗試將c的push指針從0改為指向r；當(dāng)且僅當(dāng)c的push指針值為0時(shí)，才會(huì)成功指向r；

(2-7)判斷c的push指針是否指向r，如果是，嘗試將c指定為r的入棧位置；否則，轉(zhuǎn)步驟(2-9)；

(2-8)判斷c是否指定為r的入棧位置，如果是，轉(zhuǎn)步驟(2-10)；

(2-9)判斷r是否已有指定元素進(jìn)行入棧，如果是，進(jìn)入步驟(2-10)；否則，轉(zhuǎn)步驟(2-5)；

(2-10)將v存入r被指定的入棧元素的val變量中，結(jié)束本次入棧操作。

本發(fā)明提供的無(wú)等待出棧操作流程如圖4所示，具體步驟如下：

(3-1)讀取棧頂索引的值，并將該值存入一變量t；如果全局?jǐn)?shù)組的當(dāng)前長(zhǎng)度小于t+1，首先通過(guò)分配更多包含N個(gè)數(shù)組元素的段，將數(shù)組長(zhǎng)度擴(kuò)展為不小于t+1；在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為t的元素，并將變量c設(shè)置為該元素；

(3-2)設(shè)置初始值為0的變量pop_failures，用于記錄出棧失敗的次數(shù)；

(3-3)判斷c是否為棧底，如果是，返回空，結(jié)束本次出棧操作；否則，首先執(zhí)行t＝t-1，然后在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為t的元素，并將c設(shè)置為該元素；

(3-4)將c作為快速出棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用快速出棧函數(shù)；當(dāng)且僅當(dāng)快速出棧函數(shù)的返回值為1時(shí)，本次出棧操作才能從c中出棧；

(3-5)判斷快速出棧函數(shù)的返回值是否為1，如果是，轉(zhuǎn)步驟(3-11)；否則，執(zhí)行pop_failures＝pop_failures+1；

(3-6)判斷pop_failures是否大于P，如果是，在本線(xiàn)程th_i的運(yùn)行狀態(tài)中公布本次出棧請(qǐng)求q，并在q中記錄c及其索引值，q的標(biāo)識(shí)符通過(guò)對(duì)共享變量pc進(jìn)行原子加一操作來(lái)獲取，即q的標(biāo)識(shí)符＝FAA(&pc,1)；否則，轉(zhuǎn)步驟(3-3)；

(3-7)將本線(xiàn)程th_i的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量h作為幫助出棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助出棧函數(shù)；當(dāng)幫助出棧函數(shù)返回時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程th_i可以從q中獲取最終出棧結(jié)果；

(3-8)判斷出棧結(jié)果是否為空，如果是，返回空，結(jié)束本次出棧操作；否則，從q中讀取指定出棧元素，并將c設(shè)置為該元素；當(dāng)前線(xiàn)程th_i可以從q中獲取最終出棧結(jié)果，分為兩種情況：(1)返回空；(2)有指定出棧元素。

(3-9)統(tǒng)計(jì)c所在段s中已出棧元素和無(wú)用元素的總數(shù)n；

(3-10)判斷n是否等于N，如果是，刪除s然后進(jìn)行步驟(3-11)，否則直接進(jìn)行步驟(3-11)；其中，N為s所包含的數(shù)組元素的總數(shù)；

(3-11)假定當(dāng)前出?；锇橹羔?biāo)赶虻木€(xiàn)程為th，將th維護(hù)的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量h作為幫助出棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助出棧函數(shù)；

(3-12)假定h的next指針指向h’，將線(xiàn)程th_i的出?；锇橹羔樦赶騢’對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程；

(3-13)返回c的val變量存放的值，即完成出棧，結(jié)束本次出棧操作。

進(jìn)一步，無(wú)等待出棧操作的特征在于，步驟(3-4)需要調(diào)用快速出棧函數(shù)，該函數(shù)的執(zhí)行流程如圖5所示，具體步驟如下：

(4-1)讀取本函數(shù)的輸入元素c，將c作為幫助入棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助入棧函數(shù)；

(4-2)競(jìng)爭(zhēng)c的出棧權(quán)，即利用CAS操作，嘗試將c的pop指針從0改為-1；如果CAS操作的返回值非0，說(shuō)明競(jìng)爭(zhēng)成功；

(4-3)判斷競(jìng)爭(zhēng)是否成功，如果是，統(tǒng)計(jì)c所在段s中已出棧元素和無(wú)用元素的總數(shù)n，執(zhí)行步驟(4-4)；否則，從c中出棧失敗，返回0，結(jié)束快速出棧函數(shù)的執(zhí)行；

(4-4)判斷n是否等于N，如果是，刪除s；其中，N為s所包含的數(shù)組元素的總數(shù)；

(4-5)判斷c的val變量是否存放有效值，如果是，則從c中出棧成功，返回1；否則，從c中出棧失敗，返回0。

進(jìn)一步，無(wú)等待出棧操作的特征在于，步驟(3-7)和步驟(3-11)需要調(diào)用幫助出棧函數(shù)，該函數(shù)的執(zhí)行流程如圖6所示，具體步驟如下：

(5-1)讀取本函數(shù)的輸入?yún)?shù)h；

(5-2)通過(guò)讀取h中存儲(chǔ)的運(yùn)行狀態(tài)，判斷與h對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程是否存在需要幫助的出棧請(qǐng)求q，如果是，進(jìn)入步驟(5-3)；否則，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；

(5-3)讀取q中記錄的元素c和c的索引，并將c的索引賦值給變量i；

(5-4)判斷c是否為棧底，如果是，嘗試指定q的出棧結(jié)果為返回空，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；否則，執(zhí)行i＝i-1，在全局?jǐn)?shù)組中查找索引為i的元素，并將變量c設(shè)置為該元素；

(5-5)將c作為幫助入棧函數(shù)的輸入?yún)?shù)，調(diào)用幫助入棧函數(shù)；

(5-6)競(jìng)爭(zhēng)c的出棧權(quán)，即利用CAS操作，嘗試將c的pop指針從0改為指向q，并使用變量ret保存CAS操作的返回值；

(5-7)判斷c的pop指針是否指向q，如果是，進(jìn)入步驟(5-8)；否則，轉(zhuǎn)步驟(5-11)；

(5-8)判斷c的val變量是否存放有效值，如果是，嘗試指定q從c中出棧，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；

(5-9)判斷ret是否為0，如果是，轉(zhuǎn)步驟(5-11)；否則，統(tǒng)計(jì)c所在段s中已出棧元素和無(wú)用元素的總數(shù)n；

(5-10)判斷n是否等于N，如果是，刪除s，然后執(zhí)行步驟(5-11)；如果n不等于N，則執(zhí)行(5-11)；

(5-11)判斷q是否已被指定出棧結(jié)果，如果是，結(jié)束幫助出棧函數(shù)的執(zhí)行；否則，轉(zhuǎn)步驟(5-4)。

進(jìn)一步，快速出棧函數(shù)和幫助出棧函數(shù)的特征在于，步驟(4-1)和步驟(5-5)需要調(diào)用幫助入棧函數(shù)，該函數(shù)的執(zhí)行流程如圖7所示，具體步驟如下：

(6-1)讀取本函數(shù)的輸入元素c，如果c的val變量中尚未存放有效值，則利用CAS操作，嘗試將無(wú)效值存入c的val變量中，使c成為無(wú)用元素；

(6-2)判斷c的val變量是否存放有效值，如果是，結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行；

(6-3)判斷c的push指針是否已指向某入棧請(qǐng)求，如果是，轉(zhuǎn)步驟(6-11)；否則，讀取本線(xiàn)程th_i的入?；锇橹羔?biāo)赶虻木€(xiàn)程，并將變量th設(shè)置為該線(xiàn)程；

(6-4)判斷本線(xiàn)程th_i是否在本周期內(nèi)嘗試幫助過(guò)th入棧，并且相應(yīng)入棧請(qǐng)求已完成，如果否，則直接進(jìn)行步驟(6-5)；如果是，假定th維護(hù)的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量為h，h的next指針指向h’，將th設(shè)置為h’對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程，并使本線(xiàn)程th_i的入?；锇橹羔樦赶騮h；

(6-5)判斷th是否有需要幫助的入棧請(qǐng)求r’，如果是，進(jìn)入步驟(6-6)；否則，轉(zhuǎn)步驟(6-8)；

(6-6)判斷r’的標(biāo)識(shí)符是否小于或等于c的索引，如果是，嘗試將c預(yù)留給r’，即利用CAS操作，嘗試將c的push指針從0改為指向r’，若成功，CAS操作的返回值為非0；否則，轉(zhuǎn)步驟(6-8)；

(6-7)判斷是否成功將c預(yù)留給r’，如果是，進(jìn)入步驟(6-8)；否則，轉(zhuǎn)步驟(6-9)；

(6-8)假定th維護(hù)的handle結(jié)構(gòu)類(lèi)型的變量為h，h的next指針指向h’，將本線(xiàn)程th_i的入?；锇橹羔樦赶騢’對(duì)應(yīng)的線(xiàn)程；

(6-9)如果c的push指針當(dāng)前值為0，則利用CAS操作，嘗試將c的push指針從0更改為-1；經(jīng)過(guò)該步驟的處理，c的push指針要么被其它線(xiàn)程設(shè)置為指向某入棧請(qǐng)求，要么被設(shè)置為-1；

(6-10)判斷c的push指針是否為-1，如果是，結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行；否則，進(jìn)入步驟(6-11)；

(6-11)讀取c的push指針指向的入棧請(qǐng)求r；

(6-12)判斷r的標(biāo)識(shí)符是否小于或等于c的索引，如果是，嘗試將c指定為r的入棧位置；否則，結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行；

(6-13)判斷c是否指定為r的入棧位置，如果是，將r的數(shù)據(jù)v存入c的val變量；結(jié)束幫助入棧函數(shù)的執(zhí)行。