无锁环形队列，volatile和乱序执行

最新推荐文章于 2025-05-13 15:48:52 发布

xtlisk

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文章标签：编程语言编译原理编译器语言

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/xtlisk/article/details/39098981

本文探讨了如何使用C语言实现无锁环形队列，通过volatile关键字确保内存可见性和顺序性。文章指出，无锁环形队列在单读单写情况下，借助原子操作和volatile可以避免数据冲突。同时，分析了volatile的作用，指出在某些情况下，编译器优化可能导致数据乱序，从而引入acquire和release语义来保证执行顺序。最后，提到了CPU指令乱序优化对并发访问的影响，并讨论了不同CPU架构对乱序的支持情况。

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这里说的环形队列是一种内存通讯机制，本身这个机制和语言没有什么关系，不过上篇提到了volatile语法和acquire/release语义，就以这个机制做一个例子，C语言实现。这方面的内容涉及到一些现有的语言实现的东西

环形队列的数据结构是一个数组，简单起见我们认为通讯内容就是一个个int，则定义一个int数组和头尾索引：

int queue[SIZE]; 
int head; 
int tail;

方便起见可以约定：head表示队列首元素的索引，tail表示队列尾元素后面的空位的索引，队列中最多可容纳SIZE-1个元素，因为这样可以head==tail表示队列空，head==(tail+1)%SIZE表示队列满，如果能容纳SIZE个元素，就不能区分这两种情况了

然后是读写：

ErrorType read(int *v) 
{ 
    if (head == tail) 
    { 
        return EMPTY; 
    } 
    *v = queue[head]; 
    head = (head + 1) % SIZE; 
    return SUCCESS; 
} 
ErrorType write(const int *v) 
{ 
    if (head == (tail + 1) % SIZE) 
    { 
        return FULL; 
    } 
    queue[tail] = *v; 
    tail = (tail + 1) % SIZE; 
    return SUCCESS; 
}

假如有多个线程读写队列，则一般需要锁来实现同步，但是做一点点约束和修改，就能实现无锁：
1 队列只能单读单写
2 共享的数据用volatile修饰

可以就上面的代码简单分析下，read操作只会读写head，读tail和queue，反之write操作读写tail，读head，写queue，而head和tail都是正向增长的。这里的关键在于，head和tail使用int，它们的读写用一条机器指令即可完成，是原子的，在这个前提下，上述两个