深入理解无锁队列与C++原子操作

深入理解无锁队列与C++原子操作

引言

在多线程编程中，传统的锁机制（如互斥锁）虽然能保证线程安全，但存在性能瓶颈和死锁风险。无锁（Lock-Free）数据结构通过原子操作实现线程安全，能显著提升高并发场景下的性能。本文将详解如何使用C++原子变量实现无锁队列。

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原子操作基础

什么是原子操作？

原子操作是不可分割的最小操作单元，要么完全执行，要么完全不执行。C++11通过<atomic>头文件提供原子类型：

#include <atomic>

std::atomic<int> counter(0);

内存顺序（Memory Order）

指定原子操作的内存可见性顺序，常用选项：

• memory_order_relaxed：无顺序保证
• memory_order_acquire：加载操作，保证之后的内存访问不会重排到前面
• memory_order_release：存储操作，保证之前的内存访问不会重排到后面
• memory_order_seq_cst（默认）：严格顺序一致性

counter.store(42, std::memory_order_release);
int value = counter.load(std::memory_order_acquire);

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无锁队列实现

环形缓冲区队列（单生产者/单消费者）

template<typename T, size_t Size>
class LockFreeQueue {
   
    std::array<T, Size> buffer;
    std::atomic<size_t> head{
   0}, tail{
   0};

public:
    bool push(const T& item) {
   
        size_t curr_tail = tail.load(std::memory_order_relaxed);
        size_t next_tail = (curr_tail + 1) % Size;
        
        if (next_tail == head.load(std