最近开始学习无锁编程，和传统的基于Lock的算法相比，无锁编程具有其独特的优点，Angel Lucifer的关于无锁编程一文对此有详细的描述。
无锁编程的目标是在不使用Lock的前提下保证并发过程中共享数据的一致性，其主要的实现基础是CAS操作，也就是compare_and_swap，通过处理器提供的指令，可以原子地更新共享数据，并同时监测其他线程的干扰，.Net中的对应实现是InterLocked.CompareExchange函数。
既然不使用Lock，那在无锁编程中要时刻注意的是，代码可能在任意语句中被中断。如果是单个变量，我们可以使用 InterLocked.XXX 保证操作的原子性，但是如果有多个操作要完成的话，简单地组合 InterLocked.XXX 是远远不够的。通常的原则是对函数中用到的共享变量，先在代码开始处用局部变量保存它的内容，在后面更新共享变量时，使用前述变量来判断其是否发生了改变，如果共享变量发生了改变，那么我们可能需要重试，或者在某些可能的情况下，当前线程可以"帮助"其他更新中的线程完成更新。
从上面可以总结出无锁算法的两个基本特征：
1. 无锁算法总是包含一个循环结构，以保证更新失败后重试
2. 无锁算法在更新共享变量时，总是使用CAS和原始值进行比较，以保证没有冲突
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public class ConcurrentLinkedQueue<T>
2{
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private class Node<K>
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{
5 internal K Item;
6 internal Node<K> Next;
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8 public Node(K item, Node<K> next)
9 {
10 this.Item = item;
11 this.Next = next;
12
}
13 }
14
15 private Node<T> _head;
16 private Node<T> _tail;
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18 public ConcurrentLinkedQueue()
19 {
20 _head = new Node<T>(default(T), null);
21 _tail = _head;
22 }
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24 public bool IsEmpty
25 {
26 get { return (_head.Next == null); }
27 }
28
29 public void Enqueue(T item)
30 {
31 Node<T> newNode = new Node<T>(item, null);
32 while (true)
33 {
34 Node<T> curTail = _tail;
35 Node<T> residue = curTail.Next;
36
37 //判断_tail是否被其他process改变
38 if (curTail == _tail)
39 {
40 //A 有其他process执行C成功，_tail应该指向新的节点
41 if (residue == null)
42 {
43 //C 如果其他process改变了tail.next节点，需要重新取新的tail节点
44 if (Interlocked.CompareExchange<Node<T>>(
45 ref curTail.Next, newNode, residue) == residue)
46 {
47 //D 尝试修改tail
48 Interlocked.CompareExchange<Node<T>>(ref _tail, newNode, curTail);
49 return;
50 }
51 }
52 else
53 {
54 //B 帮助其他线程完成D操作
55 Interlocked.CompareExchange<Node<T>>(ref _tail, residue, curTail);
56 }
57 }
58 }
59 }
60
61 public bool TryDequeue(out T result)
62 {
63 Node<T> curHead;
64 Node<T> curTail;
65 Node<T> next;
66 do
67 {
68 curHead = _head;
69 curTail = _tail;
70 next = curHead.Next;
71 if (curHead == _head)
72 {
73 if (next == null) //Queue为空
74 {
75 result = default(T);
76 return false;
77 }
78 if (curHead == curTail) //Queue处于Enqueue第一个node的过程中
79 {
80 //尝试帮助其他Process完成操作
81 Interlocked.CompareExchange<Node<T>>(ref _tail, next, curTail);
82 }
83 else
84 {
85 //取next.Item必须放到CAS之前
86 result = next.Item;
87 //如果_head没有发生改变，则将_head指向next并退出
88 if (Interlocked.CompareExchange<Node<T>>(ref _head,
89 next, curHead) == curHead)
90 break;
91 }
92 }
93 }
94 while (true);
95 return true;
96 }
97
}
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根据自己的测试（双核CPU），在轻度和中度争用情况下，无锁算法比基于锁的算法性能好很多，在争用非常严重的情况下（100个并发线程以上/每CPU），基于锁的算法性能开始显示出优势，因为一旦发生争用，基于锁的算法会立刻切换到其他线程，而无锁算法会进入下一次循环，导致CPU的占用。但是如此严重的争用在实际中并不多见，并且可以采用SpinWait的方法加以改进。基于锁的算法在测试中曾经出现过类似死锁的现象，无锁算法则完全没有出过类似问题，另外，处理器核心越多，基于锁的算法效率越差。
从上面的算法实现中，可以体会到无锁算法的优势：在并发的多个线程中，总是有线程能够推进，算法总能在有限的循环次数内完成，并且在某些冲突的情况下，一个线程可以“帮助”其他线程完成被中断的工作，这些对提高吞吐量都有很大的作用。
