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线程安全的无锁RingBuffer的实现
在程序设计中，我们有时会遇到这样的情况，一个线程将数据写到一个buffer中，另外一个线程从中读数据。所以这里就有多线程竞争的问题。通常的解决办法是对竞争资源加锁。但是，一般加锁的损耗较高。其实，对于这样的一个线程写，一个线程读的特殊情况，可以以一种简单的无锁RingBuffer来实现。这样代码的运行效率很高。
代码我在github上放了一份，需要的同学可以去下载（RingBuffer.java）。本文最后也会附上一份。
代码的基本原理如下。
如图所示，假定buffer的长度是bufferSize. 我们设置两个指针。head指向的是下一次读的位置，而tail指向的是下一次写的位置。由于这里是环形buffer (ring buffer)，这里就有一个问题，怎样判断buffer是满或者空。这里采用的规则是，buffer的最后一个单元不存储数据。所以，如果head == tail，那么说明buffer为空。如果 head == tail + 1 (mod bufferSize)，那么说明buffer满了。
接下来就是最重要的内容了：怎样以无锁的方式进行线程安全的buffer的读写操作。基本原理是这样的。在进行读操作的时候，我们只修改head的值，而在写操作的时候我们只修改tail的值。在写操作时，我们在写入内容到buffer之后才修改tail的值；而在进行读操作的时候，我们会读取tail的值并将其赋值给copyTail。赋值操作是原子操作。所以在读到copyTail之后，从head到copyTail之间一定是有数据可以读的，不会出现数据没有写入就进行读操作的情况。同样的，读操作完成之后，才会修改head的数值；而在写操作之前会读取head的值判断是否有空间可以用来写数据。所以，这时候tail到head - 1之间一定是有空间可以写数据的，而不会出现一个位置的数据还没有读出就被写操作覆盖的情况。这样就保证了RingBuffer的线程安全性。
最后附上代码供参考。欢迎批评指正，也欢迎各种讨论！
1 public class RingBuffer { 2 3 private final static int bufferSize = 1024; 4 private String[] buffer = new String[bufferSize]; 5 private int head = 0; 6 private int tail = 0; 7 8 private Boolean empty() { 9 return head == tail;10 }11 private Boolean full() {12 return (tail + 1) % bufferSize == head;13 }14 public Boolean put(String v) {15 if (full()) {16 return false;17 }18 buffer[tail] = v;19 tail = (tail + 1) % bufferSize;20 return true;21 }22 public String get() {23 if (empty()) {24 return null;25 }26 String result = buffer[head];27 head = (head + 1) % bufferSize;28 return result;29 }30 public String[] getAll() {31 if (empty()) {32 return new String[0];33 }34 int copyTail = tail;35 int cnt = head < tail ? tail - head : bufferSize - head + tail;36 String[] result = new String[cnt];37 if (head < copyTail) {38 for (int i = head; i < tail; i++) {39 result[i - head] = buffer[i];40 }41 } else {42 for (int i = head; i < bufferSize; i++) {43 result[i - head] = buffer[i];44 }45 for (int i = 0; i < tail; i++) {46 result[bufferSize - head + i] = buffer[i];47 }48 }49 head = tail;50 return result;51 }52 }
线程安全的无锁RingBuffer的实现