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C++11无锁队列：实现多线程高效通信

2023-07-05 13:23:59 深夜i -- --

C++11 无锁队列多线程高效通信

C++11是一种高效的编程语言，其在多线程编程和通信方面提供了许多有用的工具和技术。其中之一就是无锁队列，它可以实现多线程之间的高效通信。

无锁队列是一种不需要锁定的队列，它可以在多个线程之间安全地共享。与传统锁定队列相比，无锁队列有许多优势。首先，它避免了锁定和解锁操作，大大降低了线程之间的竞争，从而提高了性能。其次，它不需要使用操作系统的锁定机制，因此可以减少操作系统的开销，提高了程序的运行效率。

在C++11中，无锁队列可以使用std::atomic类型和CAS（Compare and Swap）原语来实现。CAS是一种CPU指令，可以实现原子性的读取、修改和写入操作。基本的CAS原语包括以下三个步骤：

1. 读取共享变量的值。

2. 对该值进行操作。

3. 将结果写回共享变量，并返回操作之前的值。

使用CAS原语可以实现无锁队列的插入和删除操作。实现过程中需要注意的是，在多线程情况下，插入和删除同时进行时，可能会发生ABA问题。ABA问题是指一个线程读取到共享变量的值为A，然后另一个线程将此值修改为B，然后又修改回A的情形。为了解决这个问题，可以使用带有版本号的CAS原语。

下面是一个简单的无锁队列的实现，用于多线程之间的高效通信：


template<typename T> class LockFreeQueue
{
public:
  LockFreeQueue() : head(nullptr), tail(nullptr) {}
  void push(const T& value)
  {
    Node* newNode = new Node(value);
    while (true)
    {
      Node* tailCopy = tail.load();
      Node* nextTail = tailCopy->next.load();
      if (tailCopy == tail.load())
      {
        if (nextTail == nullptr)
        {
          if (tailCopy->next.compare_exchange_weak(nextTail, newNode))
          {
            tail.compare_exchange_weak(tailCopy, newNode);
            return;
          }
        }
        else
        {
          tail.compare_exchange_weak(tailCopy, nextTail);
        }
      }
    }
  }
  bool pop(T& value)
  {
    while (true)
    {
      Node* headCopy = head.load();
      Node* tailCopy = tail.load();
      Node* nextHead = headCopy->next.load();
      if (headCopy == head.load())
      {
        if (headCopy == tailCopy)
        {
          if (nextHead == nullptr)
          
            return false;
          
          else
          {
            tail.compare_exchange_weak(tailCopy, nextHead);
          }
        }
        else
        {
          value = nextHead->value;
          if (head.compare_exchange_weak(headCopy, nextHead))
          
            delete headCopy;
            return true;
          
        }
      }
    }
  }
private:
  struct Node
  {
    Node(const T& value) : value(value) {}
    T value;
    std::atomic<Node*> next;
  };
  std::atomic<Node*> head;
  std::atomic<Node*> tail;
};

在这个无锁队列实现中，push()和pop()操作都采用了无限循环的方式，直到操作成功为止。在push()操作中，每次循环都会读取tail指针指向的节点和其next指针指向的节点的值，并进行CAS操作，如果成功，则将tail指针前移，并将newNode插入到队列中。在pop()操作中，每次循环都会读取head指针指向的节点和tail指针指向的节点的值，并进行一系列的CAS操作，如果成功，则将head指针前移，并将value赋值为头节点的值。

总的来说，无锁队列是一种高效的多线程通信方式，它可以避免锁定和解锁操作，提高程序的性能和效率。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的实现方式和技术，以提高程序的可靠性和性能。

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