无锁队列：循环数组带来的性能提升

2023-10-18 23:42:47

前言

在并发编程中，队列是一种常用的数据结构，用于存储和管理数据元素的顺序集合。队列遵循先进先出的原则，即最早进入队列的元素将最先被取出。传统的队列实现通常使用锁机制来保证线程安全，然而，锁的使用会带来额外的开销和性能瓶颈。

无锁队列是一种无需使用锁机制即可实现线程安全的数据结构，它通过巧妙的设计和算法来避免资源竞争和死锁。无锁队列在高并发场景下具有极佳的性能优势，因此在各种应用程序和操作系统中广泛使用。

循环数组无锁队列原理

循环数组无锁队列是一种基于循环数组实现的无锁队列，它通过维护两个指针来管理队列中的数据元素。这两个指针分别是队头指针和队尾指针，队头指针指向队列中第一个元素，队尾指针指向队列中最后一个元素。

当向队列中添加新元素时，队尾指针会向后移动一位，指向循环数组中下一个空闲位置。如果队尾指针已经指向循环数组的末尾，则会从头开始继续循环。当从队列中取出元素时，队头指针会向前移动一位，指向循环数组中下一个元素。如果队头指针已经指向循环数组的末尾，则会从头开始继续循环。

通过这种方式，循环数组无锁队列可以实现无锁的插入和删除操作。因为队列中的数据元素是顺序存储在循环数组中，所以不需要额外的指针或数据结构来维护队列中的顺序。

循环数组无锁队列实现

以下是用 C++ 实现的循环数组无锁队列的代码示例：

class ArrayLockFreeQueue {
private:
  std::atomic<uint32_t> head;
  std::atomic<uint32_t> tail;
  std::atomic<uint32_t> size;
  std::atomic<uint32_t>* elements;
  const uint32_t capacity;

public:
  ArrayLockFreeQueue(uint32_t capacity) :
    head(0),
    tail(0),
    size(0),
    elements(new std::atomic<uint32_t>[capacity]),
    capacity(capacity) {}

  ~ArrayLockFreeQueue() {
    delete[] elements;
  }

  bool enqueue(uint32_t value) {
    if (size.load() == capacity) {
      return false;
    }
    uint32_t next_tail = (tail.load() + 1) % capacity;
    while (!tail.compare_exchange_weak(tail.load(), next_tail)) {}
    elements[tail.load()].store(value);
    size.fetch_add(1);
    return true;
  }

  bool dequeue(uint32_t& value) {
    if (size.load() == 0) {
      return false;
    }
    uint32_t next_head = (head.load() + 1) % capacity;
    while (!head.compare_exchange_weak(head.load(), next_head)) {}
    value = elements[head.load()].load();
    size.fetch_sub(1);
    return true;
  }

  uint32_t size() {
    return size.load();
  }

  bool empty() {
    return size.load() == 0;
};

在这个实现中，head 和 tail 两个原子变量分别保存着队头和队尾元素在循环数组中的索引。size 原子变量保存着队列中元素的数量。elements 数组是一个原子变量数组，它存储着队列中的数据元素。capacity 变量保存着队列的最大容量。

enqueue() 方法向队列中添加一个新元素。它首先检查队列是否已满，如果已满，则返回 false。然后，它计算出下一个队尾元素的索引，并使用 compare_exchange_weak() 方法原子地更新 tail 变量。如果更新成功，则将新元素存储到 elements 数组中，并更新 size 变量。

dequeue() 方法从队列中取出一个元素。它首先检查队列是否为空，如果为空，则返回 false。然后，它计算出下一个队头元素的索引，并使用 compare_exchange_weak() 方法原子地更新 head 变量。如果更新成功，则将队头元素存储到 value 变量中，并更新 size 变量。

size() 方法返回队列中元素的数量。empty() 方法检查队列是否为空。

循环数组无锁队列的优势

循环数组无锁队列具有以下优势：

高性能： 循环数组无锁队列不需要使用锁机制，因此避免了锁带来的性能开销。在高并发场景下，循环数组无锁队列可以提供极佳的性能。
可扩展性： 循环数组无锁队列可以轻松地扩展到多个处理器或计算机。因为队列中的数据元素是顺序存储在循环数组中，所以不需要额外的指针或数据结构来维护队列中的顺序。
可靠性： 循环数组无锁队列是一种无锁的数据结构，因此不会出现死锁或资源竞争的情况。这使得循环数组无锁队列非常可靠，即使在高并发场景下也能正常工作。