无锁容器 c++

当生产者消费者数目较多时,用锁实现的线程安全容器锁竞争激烈,上下文切换严重带来较大的性能开销。无所容器实现的关键是为容器的每个槽位设置状态,拿到期望状态的线程通过CAS将状态修改,其他线程因拿不到期望状态二锁死在循环里。

1、无锁队列

/**
 * 1. 不分配内存只调用构造函数写法,使用()位置的内存存放对象
 *  char arr[N];
 *  new (arr) T;
 *  等价于=>
 *  T* pt = static_cast<T*>(arr);
 *  pt->T();
 * 2. 调用析构函数
 *  pt->~T();
**/

#pragma once
#include <atomic>

template <typename T>
class LockFreeQueue {
private:
    /* 每个元素的状态 空(已弹出) -> 正在入队 -> 入队完成 -> 正在弹出 -> 弹出完成(空)*/
    enum Status {
        EMPTY = 0,
        PUSHING = 1,
        PUSHED = 2,
        POPING = 3
    };

    std::atomic<Status>* _state_buf;    //用于标记每个元素状态
    T* _data_buf;                       //元素数组
    size_t _size;                       //数组大小
    std::atomic<size_t> _head;          //队列头,读指针
    std::atomic<size_t> _tail;          //队列尾,写指针
public:
    LockFreeQueue(size_t size) : _size(size), _head(0), _tail(0) {
        _data_buf = new T[size];
        _state_buf = new std::atomic<Status>[size];
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            _state_buf[i].store(Status::EMPTY);
        }
    }

    ~LockFreeQueue() {
        size_t head = _head.load();
        size_t tail = _tail.load();
        while (head != tail) {
            _data_buf[head].~T();
            head = (head + 1) % _size;
        }
        delete[] _data_buf;
        delete[] _state_buf;
    }
    //头尾位置相同时表示队列为空
    bool empty() const {
        return _head.load() == _tail.load();
    }
    //尾指针下一个位置为头指针表示队列满
    bool full() const {
        return _tail.load() + 1 == _head.load();
    }

    /**
     * @brief: 入队。队列满时添加失败返回false
     */
    template <typename ...Args>
    bool emplace(Args... args) {
        //当入栈过程中被其他线程插入时,tail next位置的状态不再是EMPTY
        size_t tail = 0;
        size_t next = 0;
        auto state = Status::EMPTY;
        do {
            tail = _tail.load();
            next = (tail + 1) % _size;
            if (next == _head.load()) {//队列满则返回
                return false;
            }
        } while (!_state_buf[tail].compare_exchange_strong(state, Status::PUSHING));
        //拿到state槽位的线程正常添加,其他线程会以自旋锁的方式卡在循环里,
        //直到上面线程添加完成

        new (&_data_buf[tail]) T(std::forward<Args>(args)...);
        //更新状态和索引,这行应该不会失败,因为其他生产者都卡在上面循环里
        _state_buf[tail].store(Status::PUSHED);
        _tail.store(next);
        return true;
    }

    bool pop(T& data) {
        //当出栈过程被其他线程出栈,head位置不再是pushed
        size_t head = 0;
        auto state = Status::PUSHED;
        do {
            head = _head.load();
            if (head == _tail.load()) {//队列空则返回
                return false;   
            }
        } while (!_state_buf[head].compare_exchange_strong(state, Status::POPING));
        
        data = std::move(_data_buf[head]);
        _data_buf[head].~T();
        _state_buf[head].store(Status::EMPTY);
        _head.compare_exchange_strong(head, (head + 1) % _size);
        return true;
    }

};

 元素类型为int型时

class LockFreeIntQueue{
private:
    enum State {
        EMPTY = 0,
        PUSHING = 1,
        PUSHED = 2,
        POPING = 3
    };
    std::atomic<State>* _states;
    int * _data_arr;
    size_t _size;
    std::atomic<size_t> _head;
    std::atomic<size_t> _tail;
public:
    LockFreeIntQueue(int size) : _size(size), _head(0), _tail(0) {
        _data_arr = new int[size];
        _states = new std::atomic<State>[size];
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            _states[i].store(State::EMPTY);
        }
    }

    ~LockFreeIntQueue() {
        delete[] _data_arr;
        delete[] _states;
    }

    bool push(int val) {
        size_t tail = 0;
        State state = State::EMPTY;
        do {
            tail = _tail.load();
            if ((tail + 1) % _size == _head.load()) {
                return false;
            }
        } 
        while (!_states[tail].compare_exchange_strong(state, State::PUSHING));
        
        _data_arr[tail] = val;
        _states[tail].store(State::PUSHED);
        _tail.store((tail + 1) % _size);
        return true;
    }

    bool pop(int& val) {
        size_t head = 0;
        State state = State::PUSHED;
        do {
            head = _head.load();
            if (head == _tail.load()) {
                return false;
            }
        } 
        while (!_states[head].compare_exchange_strong(state, State::POPING));

        val = _data_arr[head];
        _states[head].store(State::EMPTY);
        _head.store((head + 1) % _size);
        return true;
    }
};

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