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C++无锁线程安全队列

2023-07-08 10:48:22 深夜i -- --

C++ 无锁线程安全队列数据结构

C++是一种高性能的编程语言，特别适用于需要高效处理大量数据的应用程序中。无锁线程安全队列是一种在多线程环境下保证线程安全的数据结构，它可以实现高并发的数据处理，提高程序的性能和稳定性。

无锁线程安全队列是基于现代计算机硬件的特点设计的，它利用了硬件层面的原子性操作来实现线程安全。无锁线程安全队列的实现方式比传统的锁机制更为高效，不仅可以避免锁的竞争和阻塞，而且能够发挥多核CPU的并行处理能力，大大提高程序运行的效率。

在C++中，无锁线程安全队列的实现通常采用模板类进行封装，利用CAS（Compare-and-swap）操作对队列的插入和删除操作进行原子性操作。其核心代码如下：


template <typename T>
class LockFreeQueue {
public:
  LockFreeQueue()
    : head_(new Node), tail_(head_.load()) {}
  ~LockFreeQueue() {
    T value;
    while (dequeue(value));
    delete head_.load();
  }
  void enqueue(T const& value) {
    Node* node = new Node(value);
    Node* tail = tail_.load();
    do
      node->next_ = tail;
     while (!tail_.compare_exchange_weak(tail, node));
  }
  bool dequeue(T& value) {
    Node* head = head_.load();
    Node* tail = tail_.load();
    Node* next = head->next_.load();
    if (head == tail) {
      if (next == nullptr)
        return false;
      
      tail_.compare_exchange_weak(tail, next);
    }
    value = next->value_;
    head_.store(next);
    delete head;
    return true;
  }
private:
  struct Node {
    T value_;
    std::atomic<Node*> next_;
    Node(T const& value) : value_(value), next_(nullptr) {}
    Node() : next_(nullptr) {}
  };
  std::atomic<Node*> head_;
  std::atomic<Node*> tail_;
};

以上代码是一个简单的无锁线程安全队列，通过模板类型来支持不同类型的数据，使用std::atomic保证了节点指针的原子性操作，利用compare_exchange_weak操作来实现无锁的插入和删除操作。

总而言之，无锁线程安全队列是一种高效的多线程编程方式，可以避免锁的竞争和阻塞，发挥多核CPU的并行处理能力，提高程序的性能和稳定性。在C++中，通过利用CAS操作对队列的插入和删除操作进行原子性操作，可以实现一个简单、高效的无锁线程安全队列。

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