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基于循环数组的无锁队列
在之前的两篇博客（线程安全的无锁RingBuffer的实现，多个写线程一个读线程的无锁队列实现）中，分别写了在只有一个读线程、一个写线程的情况下，以及只有一个写线程、两个读线程的情况下，不采用加锁技术，甚至原子运算的循环队列的实现。但是，在其他的情况下，我们也需要尽可能高效的线程安全的队列的实现。本文实现了一种基于循环数组和原子运算的无锁队列。采用原子运算（compare and swap）而不是加锁同步，可以很大的提高运行效率。之所以用循环数组，是因为这样在使用过程中不需要反复开辟内存空间，可以达到较好的效率。本文的实现参考了论文Implementing Lock-Free Queues所提到的方法。但是，在这篇论文中，作者并没有给出具体的实现。本文的实现也和论文中的方法有所不同。本文的实现基于Windows操作系统，代码在Visual Studio 2010下测试通过。
本文的实现基于compare and swap这个原子操作，简写为CAS。其原型为
long CAS(long* ptr, long old_value, long new_value).
其操作为，如果ptr所指向的变量和old_value相等，则将其置为new_value. 否则什么也不做。返回值为ptr所指向的变量。
本文提出的方法的基本原理如下。代码会在其后附上。
首先，我们约定，有一个特殊的数值，叫做EMPTY，存入数组的所有数都不能是这个数值。在一开始，将整个buffer的值都初始化为EMPTY.
第二，以两个变量，readCnt和writeCnt，来记录读和写的次数。这两个数模数组长度，就可以得到下一次读和写的位置。如果readCnt和writeCnt模buffer大小相等，则说明当前队列为控；而如果在写的位置不是EMPTY，则说明buffer已满。
第三，也就是最重要的，线程同步的原理。在进行写buffer操作时，首先通过CAS操作将buffer对应位置置为指定值，而writeCnt不变，因此其他线程无法在同样的位置进行写操作，这样防止了其他写线程的覆盖。而由于此时writeCnt还没有变，读线程此时也无法读该位置的数据，这样防止了其他读线程的冲突。接下来，第二步，则是通过CAS操作，将writeCnt加一。可以看到，代码中在第一个CAS操作失败的情况下，会执行一个增大writeCnt的原子操作。这样做的目的是避免某个线程停掉导致其他所有线程都停掉。
而在进行写操作时，首先通过判断readCnt和writeCnt是否相等来判断当前队列是否已满。这样做的原因如前所述，是为了避免和写线程之间的冲突。接下来，如果当前位置可以读，则通过一个CAS操作将readCnt加一。这样，其他读线程就无法再读这个位置。而由于这个位置值还不是EMPTY，其他写线程也无法写这个位置。接下来，在读走数值之后，再通过CAS操作将buffer中的这个位置置为EMPTY. 此时，写线程可以在这个位置写入数据。
但是，这个实现其实还有点问题。如果读线程比较多，例如，读线程个数和数组长度一样，就可能两个读线程同时读同一个位置。这样的读冲突这个程序是无法避免的。另外，如果读数据过程中有一个读线程停掉了，那么其他线程在读或者写到这个位置时，也会被阻塞。
代码如下。
1 #include <windows.h> 2 #include <stdlib.h> 3 4 #define CAS(ptr, oldval, newval) (InterlockedCompareExchange(ptr, newval, oldval)) 5 6 static const long EMPTY=-1; 7 8 class NBQueue { 9 public:10 NBQueue()11 : queueSize(0)12 , buffer(NULL)13 , readCnt(0)14 , writeCnt(0){}15 16 ~NBQueue() {17 uninit();18 }19 20 bool init(int size) {21 queueSize = size;22 try {23 buffer = new long[queueSize];24 }25 catch (...) {26 queueSize = 0;27 buffer = NULL;28 return false;29 }30 for (int i = 0; i < queueSize; i++) {31 buffer[i] = EMPTY;32 }33 return true;34 }35 void uninit() {36 if (buffer != NULL) {37 delete[] buffer;38 buffer = NULL;39 }40 queueSize = 0;41 }42 43 bool put(long v) {44 bool succ;45 long tail;46 long index;47 do {48 tail = writeCnt;49 index = tail % queueSize;50 if (buffer[index] != EMPTY) {51 return false;52 }53 long oldval = CAS(&buffer[index], EMPTY, v);54 succ = oldval == EMPTY;55 if (!succ) {56 CAS(&writeCnt, tail, tail + 1);57 }58 } while (!succ);59 60 CAS(&writeCnt, tail, tail + 1);61 62 return true;63 }64 65 bool get(long* v) {66 long head;67 bool succ;68 do {69 head = readCnt;70 if (head == writeCnt % queueSize) {71 return false;72 }73 long oldval = CAS(&readCnt, head, head + 1);74 succ = oldval == head;75 } while (!succ);76 77 long index = head % queueSize;78 *v = buffer[index];79 CAS(&buffer[index], *v, EMPTY);80 81 return true;82 }83 84 private:85 long* buffer;86 int queueSize;87 long readCnt;88 long writeCnt;89 };
基于循环数组的无锁队列