面试题：多线程环境下Redis跳跃表代码的优化及并发控制

Question

当Redis在多线程环境下使用跳跃表时，会涉及到并发访问的问题。请详细说明如何对跳跃表相关代码进行优化以适应多线程环境，包括锁机制的选择与优化、无锁数据结构的应用可能性，以及如何保证在高并发场景下跳跃表操作的原子性和数据一致性。

Answer 1

锁机制的选择与优化

1. 细粒度锁：
   • 跳跃表由节点组成，每个节点包含多层指针。可以为每个节点设置独立的锁，而不是对整个跳跃表加一把大锁。比如在插入操作时，只需要锁定要插入节点的前驱节点，这样不同线程在跳跃表不同部分的操作可以并行进行，提高并发性能。例如，当一个线程在跳跃表的头部插入节点，另一个线程在尾部插入节点时，它们可以同时进行，因为各自锁定的是不同的前驱节点。
   • 代码实现上，可以在跳跃表节点结构体中添加一个互斥锁成员。例如（以C语言为例）：

typedef struct skiplistNode {
    int score;
    char *obj;
    struct skiplistNode **forward;
    pthread_mutex_t node_lock; // 节点锁
} skiplistNode;

2. 读写锁：
   • 跳跃表的操作通常读多写少。可以使用读写锁（如pthread_rwlock）来提高并发性能。读操作时，多个线程可以同时获取读锁并进行读取操作，因为读操作不会修改跳跃表的数据结构。写操作（如插入、删除）时，需要获取写锁，此时其他读写操作都被阻塞，以保证数据一致性。
   • 例如在C语言中使用pthread_rwlock实现：

pthread_rwlock_t skiplist_rwlock;

// 初始化读写锁
pthread_rwlock_init(&skiplist_rwlock, NULL);

// 读操作
pthread_rwlock_rdlock(&skiplist_rwlock);
// 执行读跳跃表操作
pthread_rwlock_unlock(&skiplist_rwlock);

// 写操作
pthread_rwlock_wrlock(&skiplist_rwlock);
// 执行写跳跃表操作（插入、删除等）
pthread_rwlock_unlock(&skiplist_rwlock);

3. 锁优化技巧：
   • 减少锁持有时间：在锁保护的代码块内，只执行必要的操作，避免在锁内进行耗时的计算或I/O操作。例如，在插入节点时，先计算好新节点的层数等信息，然后在锁保护下快速完成节点插入操作。
   • 锁粒度动态调整：根据实际的并发访问模式，动态调整锁的粒度。如果发现某个区域的访问频率特别高，可以进一步细分该区域的锁；如果发现某些锁很少被竞争，可以适当扩大锁的范围以减少锁的开销。

无锁数据结构的应用可能性

1. 无锁链表的借鉴：
   • 虽然跳跃表比普通链表复杂，但可以借鉴无锁链表的一些思想。例如，使用原子操作（如compare - and - swap，简称CAS）来实现无锁插入和删除。在无锁链表中，通过CAS操作来更新节点的指针，以保证多个线程操作的正确性。对于跳跃表，可以对节点的指针更新操作使用CAS。比如在插入节点时，先通过CAS尝试更新前驱节点的指针指向新节点，如果CAS操作失败，说明有其他线程同时在进行操作，需要重新尝试。
   • 以C语言中使用__sync_bool_compare_and_swap（GCC内置的原子操作函数）为例：

// 假设要插入新节点new_node到前驱节点prev之后
if (__sync_bool_compare_and_swap(&prev->forward[level], prev->forward[level], new_node)) {
    // 插入成功
} else {
    // 插入失败，重新尝试
}

2. 无锁数据结构库：
   • 可以考虑使用一些成熟的无锁数据结构库，如libcds（Concurrent Data Structures Library）。这些库提供了多种无锁数据结构的实现，其中可能有适合跳跃表优化的部分。通过复用这些库的代码和设计思想，可以加快开发进程并提高代码的稳定性和性能。例如，libcds中的无锁链表、无锁队列等结构的实现方式，可以启发跳跃表的无锁化改造。

保证高并发场景下跳跃表操作的原子性和数据一致性

1. 事务支持：
   • 可以为跳跃表实现类似数据库事务的机制。将多个跳跃表操作组合成一个事务，要么全部成功，要么全部失败。在事务开始时，获取所有需要的锁（可以采用上述的细粒度锁策略），在事务执行过程中，记录所有的操作日志。如果事务执行成功，提交事务，释放锁；如果事务执行过程中出现错误，回滚事务，根据日志撤销所有已执行的操作。
   • 例如，在插入多个节点的事务中，先锁定所有要插入节点的前驱节点，记录每个插入操作，执行插入，最后检查所有插入是否成功，如果有失败则回滚。
2. 版本控制：
   • 为跳跃表添加版本号。每次对跳跃表进行写操作（插入、删除）时，版本号加1。读操作时，先记录当前版本号，然后进行读取。如果在读取过程中版本号发生变化，说明有其他线程进行了写操作，需要重新读取。这种方式可以保证读取的数据一致性。
   • 可以在跳跃表结构体中添加一个版本号成员。例如（以C语言为例）：

typedef struct skiplist {
    struct skiplistNode *header;
    struct skiplistNode *tail;
    unsigned long length;
    int level;
    int version; // 版本号
} skiplist;

• 在写操作时：

// 写操作前
skiplist->version++;
// 执行写操作

• 在读操作时：

int read_version = skiplist->version;
// 执行读操作
if (read_version != skiplist->version) {
    // 版本号变化，重新读取
}