编程题1

Prompt

题目：实现一个生产级、Wait-Free 读取的 Hazard Pointer 无锁并发跳表（Lock-Free Skip List）背景与动机在多线程高吞吐场景下，基于锁的跳表会有明显的锁争用瓶颈；而常规的无锁数据结构在 C/C++ 等无自动 GC 的语言中，最大的难点在于安全内存回收（Safe Memory Reclamation, SMR）。当一个线程正在读取某个节点，另一个线程将其从跳表中逻辑删除并物理解引用时，直接 free/delete 会引发悬垂指针（Use-After-Free）。核心需求与技术指标语言约束：C++20（使用标准库原子操作与内存模型，禁止使用全局互斥锁 std::mutex 或类似重量级锁）。核心数据结构：多层跳表（Skip List），支持动态层高（最大层高设为 32，生成概率 $p = 0.5$）。接口定义：bool insert(Key key, Value value)：插入键值对；若键已存在则更新或返回 false。bool erase(Key key)：删除对应键。std::optional<Value> find(Key key)：查找键。该操作必须满足 Wait-Free（在有限步内必然返回，无任何重试循环或 CAS 自旋）。内存回收机制（Hazard Pointers）：实现基于 Hazard Pointer 的安全回收机制，保障正在被任何线程读取的节点绝不会被物理释放。具备线程退避与批量扫描回收逻辑：当退役节点列表（Retired List）达到阈值 $R$（如 $R \ge 2 \times H$，其中 $H$ 为当前活跃线程的 Hazard Pointer 槽位总数）时，自动执行扫描回收。提供完整的 C++20 实现代码（包含 Hazard Pointer 管理器与跳表本身），并显式标注所有原子操作的 std::memory_order 及其选择依据。