C++無鎖隊(duì)列的原理與實(shí)現(xiàn)示例
1.無鎖隊(duì)列原理
1.1.隊(duì)列操作模型
隊(duì)列是一種非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其特性是先進(jìn)先出（FIFO），符合流水線業(yè)務(wù)流程。在進(jìn)程間通信、網(wǎng)絡(luò)通信間經(jīng)常采用隊(duì)列做緩存，緩解數(shù)據(jù)處理壓力。根據(jù)操作隊(duì)列的場(chǎng)景分為：?jiǎn)紊a(chǎn)者——單消費(fèi)者、多生產(chǎn)者——單消費(fèi)者、單生產(chǎn)者——多消費(fèi)者、多生產(chǎn)者——多消費(fèi)者四大模型。根據(jù)隊(duì)列中數(shù)據(jù)分為：隊(duì)列中的數(shù)據(jù)是定長(zhǎng)的、隊(duì)列中的數(shù)據(jù)是變長(zhǎng)的。
（1）單生產(chǎn)者——單消費(fèi)者
（2）多生產(chǎn)者——單消費(fèi)者
（3）單生產(chǎn)者——多消費(fèi)者
（4）多生產(chǎn)者——多消費(fèi)者
（5）數(shù)據(jù)定長(zhǎng)隊(duì)列
（6）數(shù)據(jù)變長(zhǎng)隊(duì)列
1.2.無鎖隊(duì)列簡(jiǎn)介
生產(chǎn)環(huán)境中廣泛使用生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型，要求生產(chǎn)者在生產(chǎn)的同時(shí)，消費(fèi)者可以進(jìn)行消費(fèi)，通常使用互斥鎖保證數(shù)據(jù)同步。但線程互斥鎖的開銷仍然比較大，因此在要求高性能、低延時(shí)場(chǎng)景中，推薦使用無鎖隊(duì)列。
1.3.CAS操作
CAS即Compare and Swap，是所有CPU指令都支持CAS的原子操作（X86中CMPXCHG匯編指令），用于實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)各種無鎖（lock free）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
CAS操作的C語言實(shí)現(xiàn)如下：
bool compare_and_swap ( int *memory_location, int expected_value, int new_value)
{
if (*memory_location == expected_value)
{
*memory_location = new_value;
return true;
}
return false;
}CAS用于檢查一個(gè)內(nèi)存位置是否包含預(yù)期值，如果包含，則把新值復(fù)賦值到內(nèi)存位置。成功返回true，失敗返回false。
（1）GGC對(duì)CAS支持
GCC4.1+版本中支持CAS原子操作。
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...); type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...);
（2）Windows對(duì)CAS支持
Windows中使用Windows API支持CAS。
LONG InterlockedCompareExchange( LONG volatile *Destination, LONG ExChange, LONG Comperand );
（3）C++11對(duì)CAS支持
C++11 STL中atomic函數(shù)支持CAS并可以跨平臺(tái)。
template< class T > bool atomic_compare_exchange_weak( std::atomic* obj,T* expected, T desired ); template< class T > bool atomic_compare_exchange_weak( volatile std::atomic* obj,T* expected, T desired );
其它原子操作如下：
Fetch-And-Add：一般用來對(duì)變量做+1的原子操作
Test-and-set：寫值到某個(gè)內(nèi)存位置并傳回其舊值
2.無鎖隊(duì)列方案
2.1.boost方案
boost提供了三種無鎖方案，分別適用不同使用場(chǎng)景。
boost::lockfree::queue是支持多個(gè)生產(chǎn)者和多個(gè)消費(fèi)者線程的無鎖隊(duì)列。
boost::lockfree::stack是支持多個(gè)生產(chǎn)者和多個(gè)消費(fèi)者線程的無鎖棧。
boost::lockfree::spsc_queue是僅支持單個(gè)生產(chǎn)者和單個(gè)消費(fèi)者線程的無鎖隊(duì)列，比boost::lockfree::queue性能更好。
Boost無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的API通過輕量級(jí)原子鎖實(shí)現(xiàn)lock-free，不是真正意義的無鎖。
Boost提供的queue可以設(shè)置初始容量，添加新元素時(shí)如果容量不夠，則總?cè)萘孔詣?dòng)增長(zhǎng)；但對(duì)于無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，添加新元素時(shí)如果容量不夠，總?cè)萘坎粫?huì)自動(dòng)增長(zhǎng)。
2.2.ConcurrentQueue
ConcurrentQueue是基于C++實(shí)現(xiàn)的工業(yè)級(jí)無鎖隊(duì)列方案。
GitHub：https://github.com/cameron314/concurrentqueue
ReaderWriterQueue是基于C++實(shí)現(xiàn)的單生產(chǎn)者單消費(fèi)者場(chǎng)景的無鎖隊(duì)列方案。
GitHub：https://github.com/cameron314/readerwriterqueue
2.3.Disruptor
Disruptor是英國(guó)外匯交易公司LMAX基于JAVA開發(fā)的一個(gè)高性能隊(duì)列。
GitHub：https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor
3.無鎖隊(duì)列實(shí)現(xiàn)
3.1.環(huán)形緩沖區(qū)
RingBuffer是生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)者將數(shù)據(jù)追加到數(shù)組尾端，當(dāng)達(dá)到數(shù)組的尾部時(shí)，生產(chǎn)者繞回到數(shù)組的頭部；消費(fèi)者從數(shù)組頭端取走數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)組的尾部時(shí)，消費(fèi)者繞回到數(shù)組頭部。
如果只有一個(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)消費(fèi)者，環(huán)形緩沖區(qū)可以無鎖訪問，環(huán)形緩沖區(qū)的寫入index只允許生產(chǎn)者訪問并修改，只要生產(chǎn)者在更新index前將新的值保存到緩沖區(qū)中，則消費(fèi)者將始終看到一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；讀取index也只允許消費(fèi)者訪問并修改，消費(fèi)者只要在取走數(shù)據(jù)后更新讀index，則生產(chǎn)者將始終看到一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
空隊(duì)列時(shí)，front與rear相等；當(dāng)有元素進(jìn)隊(duì)，則rear后移；有元素出隊(duì)，則front后移。
空隊(duì)列時(shí)，rear等于front；滿隊(duì)列時(shí)，隊(duì)列尾部空一個(gè)位置，因此判斷循環(huán)隊(duì)列滿時(shí)使用(rear-front+maxn)%maxn。
入隊(duì)操作：
data[rear] = x; rear = (rear+1)%maxn;
出隊(duì)操作：
x = data[front]; front = (front+1)%maxn;
3.2.單生產(chǎn)者單消費(fèi)者
對(duì)于單生產(chǎn)者和單消費(fèi)者場(chǎng)景，由于read_index和write_index都只會(huì)有一個(gè)線程寫，因此不需要加鎖也不需要原子操作，直接修改即可，但讀寫數(shù)據(jù)時(shí)需要考慮遇到數(shù)組尾部的情況。
線程對(duì)write_index和read_index的讀寫操作如下：
（1）寫操作。先判斷隊(duì)列時(shí)否為滿，如果隊(duì)列未滿，則先寫數(shù)據(jù)，寫完數(shù)據(jù)后再修改write_index。
（2）讀操作。先判斷隊(duì)列是否為空，如果隊(duì)列不為空，則先讀數(shù)據(jù)，讀完再修改read_index。
3.3.多生產(chǎn)者單消費(fèi)者
多生產(chǎn)者和單消費(fèi)者場(chǎng)景中，由于多個(gè)生產(chǎn)者都會(huì)修改write_index，所以在不加鎖的情況下必須使用原子操作。
3.4.RingBuffer實(shí)現(xiàn)
RingBuffer.hpp文件：
#pragma once
template <class T>
class RingBuffer
{
public:
RingBuffer(unsigned size): m_size(size), m_front(0), m_rear(0)
{
m_data = new T[size];
}
~RingBuffer()
{
delete [] m_data;
m_data = NULL;
}
inline bool isEmpty() const
{
return m_front == m_rear;
}
inline bool isFull() const
{
return m_front == (m_rear + 1) % m_size;
}
bool push(const T& value)
{
if(isFull())
{
return false;
}
m_data[m_rear] = value;
m_rear = (m_rear + 1) % m_size;
return true;
}
bool push(const T* value)
{
if(isFull())
{
return false;
}
m_data[m_rear] = *value;
m_rear = (m_rear + 1) % m_size;
return true;
}
inline bool pop(T& value)
{
if(isEmpty())
{
return false;
}
value = m_data[m_front];
m_front = (m_front + 1) % m_size;
return true;
}
inline unsigned int front()const
{
return m_front;
}
inline unsigned int rear()const
{
return m_rear;
}
inline unsigned int size()const
{
return m_size;
}
private:
unsigned int m_size;// 隊(duì)列長(zhǎng)度
int m_front;// 隊(duì)列頭部索引
int m_rear;// 隊(duì)列尾部索引
T* m_data;// 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
};RingBufferTest.cpp測(cè)試代碼：
#include <stdio.h>
#include <thread>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
#include "RingBuffer.hpp"
class Test
{
public:
Test(int id = 0, int value = 0)
{
this->id = id;
this->value = value;
sprintf(data, "id = %d, value = %d\n", this->id, this->value);
}
void display()
{
printf("%s", data);
}
private:
int id;
int value;
char data[128];
};
double getdetlatimeofday(struct timeval *begin, struct timeval *end)
{
return (end->tv_sec + end->tv_usec * 1.0 / 1000000) -
(begin->tv_sec + begin->tv_usec * 1.0 / 1000000);
}
RingBuffer<Test> queue(1 << 12);2u000
#define N (10 * (1 << 20))
void produce()
{
struct timeval begin, end;
gettimeofday(&begin, NULL);
unsigned int i = 0;
while(i < N)
{
if(queue.push(Test(i % 1024, i)))
{
i++;
}
}
gettimeofday(&end, NULL);
double tm = getdetlatimeofday(&begin, &end);
printf("producer tid=%lu %f MB/s %f msg/s elapsed= %f size= %u\n", pthread_self(), N * sizeof(Test) * 1.0 / (tm * 1024 * 1024), N * 1.0 / tm, tm, i);
}
void consume()
{
sleep(1);
Test test;
struct timeval begin, end;
gettimeofday(&begin, NULL);
unsigned int i = 0;
while(i < N)
{
if(queue.pop(test))
{
// test.display();
i++;
}
}
gettimeofday(&end, NULL);
double tm = getdetlatimeofday(&begin, &end);
printf("consumer tid=%lu %f MB/s %f msg/s elapsed= %f, size=%u \n", pthread_self(), N * sizeof(Test) * 1.0 / (tm * 1024 * 1024), N * 1.0 / tm, tm, i);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
std::thread producer1(produce);
std::thread consumer(consume);
producer1.join();
consumer.join();
return 0;
}編譯：
g++ --std=c++11 RingBufferTest.cpp -o test -pthread
單生產(chǎn)者單消費(fèi)者場(chǎng)景下，消息吞吐量為350萬條/秒左右。
3.5.LockFreeQueue實(shí)現(xiàn)
LockFreeQueue.hpp:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdbool.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/mman.h>
#define SHM_NAME_LEN 128
#define MIN(a, b) ((a) > (b) ? (b) : (a))
#define IS_POT(x) ((x) && !((x) & ((x)-1)))
#define MEMORY_BARRIER __sync_synchronize()
template <class T>
class LockFreeQueue
{
protected:
typedef struct
{
int m_lock;
inline void spinlock_init()
{
m_lock = 0;
}
inline void spinlock_lock()
{
while(!__sync_bool_compare_and_swap(&m_lock, 0, 1)) {}
}
inline void spinlock_unlock()
{
__sync_lock_release(&m_lock);
}
} spinlock_t;
public:
// size:隊(duì)列大小
// name:共享內(nèi)存key的路徑名稱，默認(rèn)為NULL，使用數(shù)組作為底層緩沖區(qū)。
LockFreeQueue(unsigned int size, const char* name = NULL)
{
memset(shm_name, 0, sizeof(shm_name));
createQueue(name, size);
}
~LockFreeQueue()
{
if(shm_name[0] == 0)
{
delete [] m_buffer;
m_buffer = NULL;
}
else
{
if (munmap(m_buffer, m_size * sizeof(T)) == -1) {
perror("munmap");
}
if (shm_unlink(shm_name) == -1) {
perror("shm_unlink");
}
}
}
bool isFull()const
{
#ifdef USE_POT
return m_head == (m_tail + 1) & (m_size - 1);
#else
return m_head == (m_tail + 1) % m_size;
#endif
}
bool isEmpty()const
{
return m_head == m_tail;
}
unsigned int front()const
{
return m_head;
}
unsigned int tail()const
{
return m_tail;
}
bool push(const T& value)
{
#ifdef USE_LOCK
m_spinLock.spinlock_lock();
#endif
if(isFull())
{
#ifdef USE_LOCK
m_spinLock.spinlock_unlock();
#endif
return false;
}
memcpy(m_buffer + m_tail, &value, sizeof(T));
#ifdef USE_MB
MEMORY_BARRIER;
#endif
#ifdef USE_POT
m_tail = (m_tail + 1) & (m_size - 1);
#else
m_tail = (m_tail + 1) % m_size;
#endif
#ifdef USE_LOCK
m_spinLock.spinlock_unlock();
#endif
return true;
}
bool pop(T& value)
{
#ifdef USE_LOCK
m_spinLock.spinlock_lock();
#endif
if (isEmpty())
{
#ifdef USE_LOCK
m_spinLock.spinlock_unlock();
#endif
return false;
}
memcpy(&value, m_buffer + m_head, sizeof(T));
#ifdef USE_MB
MEMORY_BARRIER;
#endif
#ifdef USE_POT
m_head = (m_head + 1) & (m_size - 1);
#else
m_head = (m_head + 1) % m_size;
#endif
#ifdef USE_LOCK
m_spinLock.spinlock_unlock();
#endif
return true;
}
protected:
virtual void createQueue(const char* name, unsigned int size)
{
#ifdef USE_POT
if (!IS_POT(size))
{
size = roundup_pow_of_two(size);
}
#endif
m_size = size;
m_head = m_tail = 0;
if(name == NULL)
{
m_buffer = new T[m_size];
}
else
{
int shm_fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
if (shm_fd < 0)
{
perror("shm_open");
}
if (ftruncate(shm_fd, m_size * sizeof(T)) < 0)
{
perror("ftruncate");
close(shm_fd);
}
void *addr = mmap(0, m_size * sizeof(T), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
if (addr == MAP_FAILED)
{
perror("mmap");
close(shm_fd);
}
if (close(shm_fd) == -1)
{
perror("close");
exit(1);
}
m_buffer = static_cast<T*>(addr);
memcpy(shm_name, name, SHM_NAME_LEN - 1);
}
#ifdef USE_LOCK
spinlock_init(m_lock);
#endif
}
inline unsigned int roundup_pow_of_two(size_t size)
{
size |= size >> 1;
size |= size >> 2;
size |= size >> 4;
size |= size >> 8;
size |= size >> 16;
size |= size >> 32;
return size + 1;
}
protected:
char shm_name[SHM_NAME_LEN];
volatile unsigned int m_head;
volatile unsigned int m_tail;
unsigned int m_size;
#ifdef USE_LOCK
spinlock_t m_spinLock;
#endif
T* m_buffer;
};#define USE_LOCK
開啟spinlock鎖，多生產(chǎn)者多消費(fèi)者場(chǎng)景
#define USE_MB
開啟Memory Barrier
#define USE_POT
開啟隊(duì)列大小的2的冪對(duì)齊
LockFreeQueueTest.cpp測(cè)試文件：
#include "LockFreeQueue.hpp"
#include <thread>
//#define USE_LOCK
class Test
{
public:
Test(int id = 0, int value = 0)
{
this->id = id;
this->value = value;
sprintf(data, "id = %d, value = %d\n", this->id, this->value);
}
void display()
{
printf("%s", data);
}
private:
int id;
int value;
char data[128];
};
double getdetlatimeofday(struct timeval *begin, struct timeval *end)
{
return (end->tv_sec + end->tv_usec * 1.0 / 1000000) -
(begin->tv_sec + begin->tv_usec * 1.0 / 1000000);
}
LockFreeQueue<Test> queue(1 << 10, "/shm");
#define N ((1 << 20))
void produce()
{
struct timeval begin, end;
gettimeofday(&begin, NULL);
unsigned int i = 0;
while(i < N)
{
if(queue.push(Test(i >> 10, i)))
i++;
}
gettimeofday(&end, NULL);
double tm = getdetlatimeofday(&begin, &end);
printf("producer tid=%lu %f MB/s %f msg/s elapsed= %f size= %u\n", pthread_self(), N * sizeof(Test) * 1.0 / (tm * 1024 * 1024), N * 1.0 / tm, tm, i);
}
void consume()
{
Test test;
struct timeval begin, end;
gettimeofday(&begin, NULL);
unsigned int i = 0;
while(i < N)
{
if(queue.pop(test))
{
//test.display();
i++;
}
}
gettimeofday(&end, NULL);
double tm = getdetlatimeofday(&begin, &end);
printf("consumer tid=%lu %f MB/s %f msg/s elapsed= %f size= %u\n", pthread_self(), N * sizeof(Test) * 1.0 / (tm * 1024 * 1024), N * 1.0 / tm, tm, i);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
std::thread producer1(produce);
//std::thread producer2(produce);
std::thread consumer(consume);
producer1.join();
//producer2.join();
consumer.join();
return 0;
}多線程場(chǎng)景下，需要定義USE_LOCK宏，開啟鎖保護(hù)。
編譯：
g++ --std=c++11 -O3 LockFreeQueueTest.cpp -o test -lrt -pthread
4.kfifo內(nèi)核隊(duì)列
4.1.kfifo內(nèi)核隊(duì)列簡(jiǎn)介
kfifo是Linux內(nèi)核的一個(gè)FIFO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形循環(huán)隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，提供一個(gè)無邊界的字節(jié)流服務(wù)，并且使用并行無鎖編程技術(shù)，即單生產(chǎn)者單消費(fèi)者場(chǎng)景下兩個(gè)線程可以并發(fā)操作，不需要任何加鎖行為就可以保證kfifo線程安全。
4.2.kfifo內(nèi)核隊(duì)列實(shí)現(xiàn)
kfifo數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：
struct kfifo
{
unsigned char *buffer;
unsigned int size;
unsigned int in;
unsigned int out;
spinlock_t *lock;
};
// 創(chuàng)建隊(duì)列
struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
struct kfifo *fifo;
// 判斷是否為2的冪
BUG_ON(!is_power_of_2(size));
fifo = kmalloc(sizeof(struct kfifo), gfp_mask);
if (!fifo)
return ERR_PTR(-ENOMEM);
fifo->buffer = buffer;
fifo->size = size;
fifo->in = fifo->out = 0;
fifo->lock = lock;
return fifo;
}
// 分配空間
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock)
{
unsigned char *buffer;
struct kfifo *ret;
// 判斷是否為2的冪
if (!is_power_of_2(size))
{
BUG_ON(size > 0x80000000);
// 向上擴(kuò)展成2的冪
size = roundup_pow_of_two(size);
}
buffer = kmalloc(size, gfp_mask);
if (!buffer)
return ERR_PTR(-ENOMEM);
ret = kfifo_init(buffer, size, gfp_mask, lock);
if (IS_ERR(ret))
kfree(buffer);
return ret;
}
void kfifo_free(struct kfifo *fifo)
{
kfree(fifo->buffer);
kfree(fifo);
}
// 入隊(duì)操作
static inline unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo, const unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
unsigned long flags;
unsigned int ret;
spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
ret = __kfifo_put(fifo, buffer, len);
spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
return ret;
}
// 出隊(duì)操作
static inline unsigned int kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
unsigned long flags;
unsigned int ret;
spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
ret = __kfifo_get(fifo, buffer, len);
//當(dāng)fifo->in == fifo->out時(shí)，buufer為空
if (fifo->in == fifo->out)
fifo->in = fifo->out = 0;
spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
return ret;
}
// 入隊(duì)操作
unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo, const unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
unsigned int l;
//buffer中空的長(zhǎng)度
len = min(len, fifo->size - fifo->in + fifo->out);
// 內(nèi)存屏障：smp_mb()，smp_rmb(), smp_wmb()來保證對(duì)方觀察到的內(nèi)存操作順序
smp_mb();
// 將數(shù)據(jù)追加到隊(duì)列尾部
l = min(len, fifo->size - (fifo->in & (fifo->size - 1)));
memcpy(fifo->buffer + (fifo->in & (fifo->size - 1)), buffer, l);
memcpy(fifo->buffer, buffer + l, len - l);
smp_wmb();
//每次累加，到達(dá)最大值后溢出，自動(dòng)轉(zhuǎn)為0
fifo->in += len;
return len;
}
// 出隊(duì)操作
unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len)
{
unsigned int l;
//有數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的長(zhǎng)度
len = min(len, fifo->in - fifo->out);
smp_rmb();
l = min(len, fifo->size - (fifo->out & (fifo->size - 1)));
memcpy(buffer, fifo->buffer + (fifo->out & (fifo->size - 1)), l);
memcpy(buffer + l, fifo->buffer, len - l);
smp_mb();
fifo->out += len; //每次累加，到達(dá)最大值后溢出，自動(dòng)轉(zhuǎn)為0
return len;
}
static inline void __kfifo_reset(struct kfifo *fifo)
{
fifo->in = fifo->out = 0;
}
static inline void kfifo_reset(struct kfifo *fifo)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
__kfifo_reset(fifo);
spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
}
static inline unsigned int __kfifo_len(struct kfifo *fifo)
{
return fifo->in - fifo->out;
}
static inline unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo)
{
unsigned long flags;
unsigned int ret;
spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
ret = __kfifo_len(fifo);
spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);
return ret;
}4.3.kfifo設(shè)計(jì)要點(diǎn)
（1）保證buffer size為2的冪
kfifo->size值在調(diào)用者傳遞參數(shù)size的基礎(chǔ)上向2的冪擴(kuò)展，目的是使kfifo->size取模運(yùn)算可以轉(zhuǎn)化為位與運(yùn)算（提高運(yùn)行效率）。kfifo->in % kfifo->size轉(zhuǎn)化為 kfifo->in & (kfifo->size – 1)
保證size是2的冪可以通過位運(yùn)算的方式求余，在頻繁操作隊(duì)列的情況下可以大大提高效率。
（2）使用spin_lock_irqsave與spin_unlock_irqrestore 實(shí)現(xiàn)同步。
Linux內(nèi)核中有spin_lock、spin_lock_irq和spin_lock_irqsave保證同步。
static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
preempt_disable();
spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}
static inline void __raw_spin_lock_irq(raw_spinlock_t *lock)
{
local_irq_disable();
preempt_disable();
spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
}spin_lock比spin_lock_irq速度快，但并不是線程安全的。spin_lock_irq增加調(diào)用local_irq_disable函數(shù)，即禁止本地中斷，是線程安全的，既禁止本地中斷，又禁止內(nèi)核搶占。
spin_lock_irqsave是基于spin_lock_irq實(shí)現(xiàn)的一個(gè)輔助接口，在進(jìn)入和離開臨界區(qū)后，不會(huì)改變中斷的開啟、關(guān)閉狀態(tài)。
如果自旋鎖在中斷處理函數(shù)中被用到，在獲取自旋鎖前需要關(guān)閉本地中斷，spin_lock_irqsave實(shí)現(xiàn)如下：
A、保存本地中斷狀態(tài)；
B、關(guān)閉本地中斷；
C、獲取自旋鎖。
解鎖時(shí)通過 spin_unlock_irqrestore完成釋放鎖、恢復(fù)本地中斷到原來狀態(tài)等工作。
（3）線性代碼結(jié)構(gòu)
代碼中沒有任何if-else分支來判斷是否有足夠的空間存放數(shù)據(jù)，kfifo每次入隊(duì)或出隊(duì)只是簡(jiǎn)單的 +len 判斷剩余空間，并沒有對(duì)kfifo->size 進(jìn)行取模運(yùn)算，所以kfifo->in和kfifo->out總是一直增大，直到unsigned in超過最大值時(shí)繞回到0這一起始端，但始終滿足：kfifo->in - kfifo->out <= kfifo->size。
（4）使用Memory Barrier
mb()：適用于多處理器和單處理器的內(nèi)存屏障。
rmb()：適用于多處理器和單處理器的讀內(nèi)存屏障。
wmb()：適用于多處理器和單處理器的寫內(nèi)存屏障。
smp_mb()：適用于多處理器的內(nèi)存屏障。
smp_rmb()：適用于多處理器的讀內(nèi)存屏障。
smp_wmb()：適用于多處理器的寫內(nèi)存屏障。
Memory Barrier使用場(chǎng)景如下：
A、實(shí)現(xiàn)同步原語（synchronization primitives）
B、實(shí)現(xiàn)無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（lock-free data structures）
C、驅(qū)動(dòng)程序
程序在運(yùn)行時(shí)內(nèi)存實(shí)際訪問順序和程序代碼編寫的訪問順序不一定一致，即內(nèi)存亂序訪問。內(nèi)存亂序訪問行為出現(xiàn)是為了提升程序運(yùn)行時(shí)的性能。內(nèi)存亂序訪問主要發(fā)生在兩個(gè)階段：
A、編譯時(shí)，編譯器優(yōu)化導(dǎo)致內(nèi)存亂序訪問（指令重排）。
B、運(yùn)行時(shí)，多CPU間交互引起內(nèi)存亂序訪問。
Memory Barrier能夠讓CPU或編譯器在內(nèi)存訪問上有序。Memory barrier前的內(nèi)存訪問操作必定先于其后的完成。Memory Barrier包括兩類：
A、編譯器Memory Barrier。
B、CPU Memory Barrier。
通常，編譯器和CPU引起內(nèi)存亂序訪問不會(huì)帶來問題，但如果程序邏輯的正確性依賴于內(nèi)存訪問順序，內(nèi)存亂序訪問會(huì)帶來邏輯上的錯(cuò)誤。
在編譯時(shí)，編譯器對(duì)代碼做出優(yōu)化時(shí)可能改變實(shí)際執(zhí)行指令的順序（如GCC的O2或O3都會(huì)改變實(shí)際執(zhí)行指令的順序）。
在運(yùn)行時(shí)，CPU雖然會(huì)亂序執(zhí)行指令，但在單個(gè)CPU上，硬件能夠保證程序執(zhí)行時(shí)所有的內(nèi)存訪問操作都是按程序代碼編寫的順序執(zhí)行的，Memory Barrier沒有必要使用（不考慮編譯器優(yōu)化）。為了更快執(zhí)行指令，CPU采取流水線的執(zhí)行方式，編譯器在編譯代碼時(shí)為了使指令更適合CPU的流水線執(zhí)行方式以及多CPU執(zhí)行，原本指令就會(huì)出現(xiàn)亂序的情況。在亂序執(zhí)行時(shí)，CPU真正執(zhí)行指令的順序由可用的輸入數(shù)據(jù)決定，而非程序員編寫的順序。
到此這篇關(guān)于C++無鎖隊(duì)列的原理與實(shí)現(xiàn)示例的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 無鎖隊(duì)列內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
相關(guān)文章
VS2022連接sqlserver數(shù)據(jù)庫(kù)教程
本文主要介紹了VS2022連接sqlserver數(shù)據(jù)庫(kù)教程，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧2022-07-07
這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了用C語言編寫推箱子游戲，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下2019-10-10
這篇文章主要和大家分享了一個(gè)C語言的小DEMO，可以實(shí)現(xiàn)音樂播放器功能，文中的示例代碼講解詳細(xì)，具有一定的借鑒價(jià)值，需要的可以參考一下2023-02-02
本篇文章是對(duì)C++中常見關(guān)鍵字的含義進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹，需要的朋友參考下2013-05-05
OpenGL，也就是Open?Graphics?Library。其主要就是用于我們?nèi)ヤ秩?D、3D矢量圖形的一種跨語言、跨平臺(tái)的應(yīng)用程序編程接口，這篇文章主要介紹了使用OpenGL創(chuàng)建窗口,需要的朋友可以參考下2022-04-04
C++ 重載與重寫的區(qū)別與實(shí)現(xiàn)
在面向?qū)ο笳Z言中,經(jīng)常提到重載與重寫,本文主要介紹了C++ 重載與重寫的區(qū)別與實(shí)現(xiàn),具有一定的參考價(jià)值,感興趣的可以了解一下2024-01-01
C++實(shí)現(xiàn)LeetCode(162.求數(shù)組的局部峰值)
這篇文章主要介紹了C++實(shí)現(xiàn)LeetCode(162.求數(shù)組的局部峰值),本篇文章通過簡(jiǎn)要的案例,講解了該項(xiàng)技術(shù)的了解與使用,以下就是詳細(xì)內(nèi)容,需要的朋友可以參考下2021-07-07
這篇文章主要介紹了一個(gè)win32窗口創(chuàng)建示例,需要的朋友可以參考下2014-04-04
這篇文章主要介紹了VC讀配置文件的方法,實(shí)例講述了VC針對(duì)文件操作的技巧,需要的朋友可以參考下2014-10-10
C語言報(bào)錯(cuò)Use of Uninitialized Variable的原因及解決方案
Use of Uninitialized Variable是C語言中常見且危險(xiǎn)的錯(cuò)誤之一,它通常在程序試圖使用一個(gè)未初始化的變量時(shí)發(fā)生,本文將詳細(xì)介紹Use of Uninitialized Variable的產(chǎn)生原因,提供多種解決方案,并通過實(shí)例代碼演示如何有效避免和解決此類錯(cuò)誤,需要的朋友可以參考下2024-06-06