[发明专利]一种基于原子操作的信号量链表式堆栈方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机系统软件编程领域，特别是一种基于原子操作的信号量链表式堆栈方法。

背景技术

在计算机领域里信号量是用来实现进程间同步的机制。信号量本身是一个整数，信号量大于等于零表示可供并发进程使用的资源实体数，信号量小于零则表示正在等待使用临界区的进程数。例如在PV原语中，P原语信号量的操作是：若信号量减1后仍大于或等于零，则进程继续执行，若信号量减1后小于零，则该进程被阻塞；V原语信号量的操作是：若信号量加1后大于零，则进程继续执行，若信号量加1后仍小于或等于零，则唤醒一个在该信号量上阻塞的进程。

发明内容

本发明提出一种基于原子比较并交换（CAS）操作的带信号计数的链表式堆栈方法，该方法的堆栈由栈顶指针、信号计数、出栈计数和结点构成。信号计数和出栈计数都是整型值，这里的结点指的是计算机内存中的一块数据，指针是指向这块数据的地址，指针本身也是存放在内存空间里的数据。每个结点包含一个链接指针，结点与结点之间通过链接指针连接起来，栈顶指针指向第一个结点即为栈顶结点，第一个结点的链接指针指向第二个结点，最后一个结点的链接指针为空。和常规的链表式堆栈一样具有入栈（Push）和出栈（Pop）的操作，不同的是进行入栈操作时对信号计数值减1，若减1后该信号计数大于或等于零，则不能将新结点放入该堆栈中，若减1后该信号计数小于零，则能将新结点放入该堆栈，使用（CAS）原子操作更新栈顶指针和相关计数值。进行出栈操作时对信号计数值加1，若加1后该信号计数大于零，则出栈操作失败返回空指针，若加1后该信号计数小于或等于零，则取出当前栈顶结点，并使用（CAS）原子操作更新栈顶指针指向当前栈顶结点链接的下一个结点，更新过程中同时将出栈计数加1以防止（CAS）操作过程中和原值比较时出现的ABA问题。

一种基于原子操作的信号量链表式堆栈方法，包括入栈操作和出栈操作，该方法的堆栈由栈顶指针、信号计数、出栈计数和结点构成；每个结点包含一个链接指针，结点与结点之间通过链接指针连接起来，栈顶指针指向第一个结点即为栈顶结点，第一个结点的链接指针指向第二个结点，最后一个结点的链接指针为空；进行入栈操作时包括以下步骤：第一步：取原栈顶结点指针、原信号计数值、原出栈计数值，第二步：使临时信号计数值等于原信号计数值，使临时出栈计数值等于原出栈计数值，使临时栈顶结点指针等于原栈顶结点指针；第三步：临时信号计数值减1并进行判断，若减1后小于零，则进入第四步，若减1后大于或等于零，则直接进入第五步；第四步：将入栈的新结点的链接指针指向原栈顶结点，并将临时栈顶结点指针指向新结点；第五步：使用原子比较并交换操作尝试同时将栈顶指针、信号计数、出栈计数跟原值进行比较并原子化的替换为临时栈顶结点指针、临时信号计数、临时出栈计数的值，第六步：如果替换操作成功，则入栈操作结束，如果替换操作失败则返回第一步，重复上述步骤直至成功。

本发明进一步的技术方案是:一种基于原子操作的信号量链表式堆栈方法，出栈操作时包括以下步骤：第一步：对信号计数进行原子加1操作，第二步：进行判断，若加1后信号计数大于零，则表示出栈失败返回空指针，出栈操作结束，若加1后信号计数小于或等于零，则进入下一步；第三步：取原栈顶结点指针、原信号计数值、原出栈计数值；第四步：使临时信号计数值等于原信号计数值，使临时出栈计数值等于原出栈计数值加1，使临时栈顶结点指针的值等于原栈顶结点的链接指针的值；第五步：使用原子比较并交换操作尝试同时将栈顶指针、信号计数、出栈计数跟原值进行比较并原子化的替换为临时栈顶结点指针、临时信号计数、临时出栈计数的值，第六步：进行判断，如果替换操作失败则返回第三步，并重复第三步、第四步、第五步和第六步，如果替换操作成功，将原栈顶结点指针返回，出栈操作结束。

本发明与现有的链表式堆栈相比具有如下特点：进行入栈操作时对信号计数值减1，若减1后该信号计数大于或等于零，则不能将新结点放入该堆栈中，若减1后该信号计数小于零，则能将新结点放入该堆栈，使用（CAS）原子操作更新栈顶指针和相关计数值。进行出栈操作时对信号计数值加1，若加1后该信号计数大于零，则出栈操作失败返回空指针，若加1后该信号计数小于或等于零，则取出当前栈顶结点，并使用（CAS）原子操作更新栈顶指针指向当前栈顶结点链接的下一个结点，更新过程中同时将出栈计数加1以防止（CAS）操作过程中和原值比较时出现的ABA问题。