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C++实现无锁队列

2023-07-06 21:10:57 深夜i -- --

C++ 无锁队列实现

无锁队列是一种高效且线程安全的数据结构，可以在多线程环境下进行数据传输和共享。C++是一种强大的编程语言，提供了丰富的工具和库，可以用来实现无锁队列。本文将介绍如何使用C++实现无锁队列。

1.基本概念

在开始编写无锁队列之前，需要先了解一些基本概念。

- CAS（Compare-and-swap）：CAS是一种原子操作，可以比较内存中的值和一个期望值，如果相等则替换成一个新值。CAS是实现无锁算法的基础。

- ABA问题：在使用CAS时，如果内存中的值被修改了两次，但是值变回了原始值，CAS操作就会错误地认为原值没有被修改过，这就是ABA问题。

- Memory Order：C++11标准中提供了几种内存排序方式，可以在多线程环境下保证变量的读写顺序。

2.实现无锁队列

下面是一个简单的无锁队列的实现：


#include <atomic>
template<typename T>
class lock_free_queue
{
private:
  struct node
  {
    std::atomic<T*> data;
    std::atomic<node*> next;
    node()
    
      data = nullptr;
      next = nullptr;
    
  };
  std::atomic<node*> head;
  std::atomic<node*> tail;
public:
  lock_free_queue()
  {
    head = tail = new node();
  }
  ~lock_free_queue()
  {
    while (head != nullptr)
    {
      node* temp = head.load();
      head = temp->next.load();
      delete temp;
    }
  }
  void enqueue(T* data)
  {
    node* temp = new node();
    temp->data = data;
    node* prev = nullptr;
    tail.compare_exchange_strong(prev, temp);
    prev->next = temp;
  }
  T* dequeue()
  {
    node* temp;
    do
    {
      temp = head.load();
      if (temp->next == nullptr)
      
        return nullptr;
      
    } while (!head.compare_exchange_weak(temp, temp->next));
    T* result = temp->next->data;
    delete temp;
    return result;
  }
};

3.分析代码

代码中使用了std::atomic来进行原子操作。构造函数和析构函数分别初始化和清理节点。enqueue函数将数据放入队列中，使用tail指针来添加新节点，然后通过CAS操作来更新tail指针。dequeue函数从队列中取出数据，使用head指针来找到首个节点，然后通过CAS来将head指针移动到下一个节点，返回取出的数据。

4.总结

使用C++来实现无锁队列是一种高效且线程安全的方法。在多线程环境下，使用无锁队列可以提高程序的运行效率和稳定性。本文介绍了无锁队列的基本概念和实现方法，希望对读者有所帮助。

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