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C++实现无锁环形队列

2023-07-05 05:16:45 深夜i -- --

C++ 无锁环形队列

无锁环形队列是一种高效的队列数据结构，它避免了使用锁来保护共享数据结构的竞争，从而提高了并发性能。

C++作为一种高性能语言，可以很轻松地实现无锁环形队列。下面我们来介绍一种基于C++语言的无锁环形队列实现方法。

首先，我们需要定义一些数据结构和变量，包括队列节点结构体、头尾指针等。具体定义如下：


template<typename T>
struct Node {
  T data;
  std::atomic<Node<T>*> next;
};
template<typename T>
class LockFreeQueue {
public:
  LockFreeQueue() {
    Node<T>* dummy = new Node<T>;
    tail_.store(dummy);
    head_.store(dummy);
  }
  ~LockFreeQueue() {
    Node<T>* current = head_.load();
    while (current != nullptr) {
      Node<T>* temp = current;
      current = current->next.load();
      delete temp;
    }
  }
  bool Enqueue(const T& data) {
    Node<T>* node = new Node<T>;
    node->data = data;
    node->next.store(nullptr);
    Node<T>* tail = tail_.load();
    Node<T>* next = tail->next.load();
    if (tail == tail_.load()) {
      if (next == nullptr) {
        if (tail->next.compare_exchange_strong(next, node)) {
          tail_.compare_exchange_strong(tail, node);
          return true;
        }
      }
      else {
        tail_.compare_exchange_strong(tail, next);
      }
    }
    return false;
  }
  bool Dequeue(T& data) {
    Node<T>* head = head_.load();
    Node<T>* tail = tail_.load();
    Node<T>* next = head->next.load();
    if (head == head_.load()) {
      if (head == tail) {
        if (next == nullptr)
          return false;
        
        tail_.compare_exchange_strong(tail, next);
      }
      else {
        data = next->data;
        if (head_.compare_exchange_strong(head, next))
          delete head;
          return true;
        
      }
    }
    return false;
  }
private:
  std::atomic<Node<T>*> head_;
  std::atomic<Node<T>*> tail_;
};

上述代码中的Node结构体是队列节点的定义，包含了数据和指向下一个节点的指针。LockFreeQueue类定义了无锁环形队列的各种操作，包括Enqueue（入队）和Dequeue（出队）等操作。其中，头指针和尾指针分别使用std::atomic类型实现，以确保多线程并发访问时的原子性。节点的新增和删除操作使用new和delete运算符，需要注意防止内存泄漏。

整个无锁环形队列的实现过程主要包括两个操作：入队和出队。入队的操作首先要将新建的节点添加到队尾，将原队尾节点的next指针指向新节点，然后将tail指针指向新节点。这部分操作需要使用compare_exchange_strong方法保证多线程并发时的原子性，避免数据竞争的发生。

出队的操作则相对较为简单，首先获取队头节点和队尾节点，检查head和tail的值是否一致，如果不一致则说明有其他线程已经进行了出队或入队操作，需要重新获取节点的值。接着，如果head和tail指向同一个节点，那么检查该节点的next值是否为空，如果是说明队列为空，否则需要修改tail指针；如果head和tail指向不同的节点，则获取队头节点的数据并更新队头指针。整个出队过程也需要使用compare_exchange_strong方法保证它的原子性。

需要注意的是，无锁环形队列的实现方法并不是唯一的，不同的实现方法可能会有不同的性能表现，需要根据实际情况进行选择。此外，无锁环形队列虽然能提高并发性能，但也存在一定的风险，可能会导致ABA问题或内存泄漏等问题，因此需要谨慎使用。

以上就是一种基于C++语言的无锁环形队列实现方法，希望对大家有所帮助。

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