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C++实现无锁队列

2023-06-22 20:09:21 深夜i -- --

C++ 无锁队列实现

无锁队列是一种非常高效的数据结构，它可以在并发环境下实现快速操作数据的能力。C++中实现无锁队列是非常常见的，这里介绍一下具体的实现方法。

首先，对于无锁队列而言，我们需要考虑的就是如何实现高效的并发操作。常用的实现方法是使用原子操作和指针操作，以及自旋锁等方法来确保线程之间的顺序访问。

在C++中，我们可以使用std::atomic来实现原子操作。对于无锁队列而言，我们需要实现队列的基本操作，包括入队和出队。

队列的入队操作往往需要考虑一些细节，例如线程的竞争和重试等问题。下面给出一种比较简单的实现方法：


template<class T>
class LockFreeQueue {
public:
  typedef T value_type;
  LockFreeQueue() : head_(new Node), tail_(head_.load()) {}
  virtual ~LockFreeQueue() {
    while (Node* const old_head = head_)
      head_ = old_head->next_;
      delete old_head;
    
  }
  void push(const T& value) {
    Node* const new_node = new Node(value);
    Node* tail = tail_.load();
    Node* next = nullptr;
    while (true) {
      next = tail->next_.load();
      if (!next) {
        if (tail->next_.compare_exchange_strong(next, new_node))
          break;
        
      } else {
        tail_.compare_exchange_strong(tail, next);
        tail = tail_.load();
      }
    }
    tail_.compare_exchange_strong(tail, new_node);
  }
  bool pop(T& value) {
    Node* head = head_.load();
    Node* tail = tail_.load();
    Node* next = nullptr;
    while (true) {
      next = head->next_.load();
      if (tail == head) {
        if (!next)
          return false;
        
        tail_.compare_exchange_strong(tail, next);
      } else {
        if (head_.compare_exchange_strong(head, next))
          value = next->value_;
          delete head;
          return true;
        
      }
    }
  }
private:
  struct Node {
    Node() : value_(), next_(nullptr) {}
    explicit Node(const T& value) : value_(value), next_(nullptr) {}
    T value_;
    std::atomic<Node*> next_;
  };
  LockFreeQueue(const LockFreeQueue&) = delete;
  LockFreeQueue& operator=(const LockFreeQueue&) = delete;
  std::atomic<Node*> head_;
  std::atomic<Node*> tail_;
};

在这段代码中，我们定义了一个LockFreeQueue的类，它包含了队列的基本实现方法。我们从head_开始，使用while循环找到尾节点tail。入队操作首先检查tail的下一个节点是否为空，如果为空，则使用compare_exchange_strong原子操作更新tail的下一个节点。如果更新失败，则说明该节点已经被其他线程入队了，我们需要重新循环重试。

出队操作也需要类似的处理，我们使用head_指向队列头节点，使用tail_指向队列尾节点。出队操作先判断head节点是否等于tail节点，如果等于，则说明队列为空，返回false。如果head节点不等于tail节点，则用compare_exchange_strong原子操作更新head节点的指向，并返回出队的元素值。如果更新失败，则说明该节点已经被其他线程出队了，我们需要重新循环重试。

上述代码展示了一种常见的C++实现无锁队列的方法。当然，这只是其中的一种实现，还有其他更高级的实现方法。在使用无锁队列时，我们需要注意一些问题，例如内存回收等问题，对于实际的生产环境，还需要根据具体的需求进行调整和优化。

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