下面是详细讲解C++11如何实现无锁队列的完整攻略。
简介
无锁队列（Lock-Free Queue）是一种高并发数据结构，它可以在不使用锁（synchronization primitive）的情况下实现并发访问。无锁队列的实现需要使用到C++11标准引入的一些特性，如原子操作和memory fences等。在接下来的攻略中，我们会使用C++11的标准库来演示如何实现无锁队列。
实现过程
实现无锁队列的主要步骤如下：
- 定义节点结构体。
- 定义队列结构体，并实现相应的Push和Pop操作。
- 使用原子操作实现无锁队列的Push和Pop操作。
- 使用memory fences提高可见性和序列一致性。
下面我们将逐一讲解这些步骤。
1. 定义节点结构体
定义一个简单的节点结构体，用于存储数据。
template<typename T>
struct Node {
T data;
std::atomic<Node<T>*> next;
};
该结构体包括一个模板类型的数据成员和一个原子指针成员next，用于指向下一个节点。
2. 定义队列结构体，并实现相应的Push和Pop操作
定义一个队列结构体Queue：
template<typename T>
class Queue {
public:
Queue();
~Queue();
void Push(T data);
bool Pop(T& data);
private:
Node<T>* head;
Node<T>* tail;
};
该结构体包含两个头尾指针成员head和tail。
接着实现Push操作：
template<typename T>
void Queue<T>::Push(T data) {
Node<T>* node = new Node<T>;
node->data = data;
node->next.store(nullptr, std::memory_order_relaxed);
Node<T>* prev = head->next.exchange(node, std::memory_order_release);
head = prev ? prev : node;
}
Push操作会创建一个节点，并将data存储到节点中。接下来会使用原子操作将新创建的节点插入到队列的尾部。这里使用了exchange原子操作，它的作用是将head指向的节点与新创建的节点进行交换，返回旧的head指向的节点。Push操作的最后一步将头指针指向新的节点。
接着实现Pop操作：
template<typename T>
bool Queue<T>::Pop(T& data) {
Node<T>* tail_copy = tail;
Node<T>* next = tail_copy->next.load(std::memory_order_acquire);
if (next == nullptr) {
return false;
}
data = next->data;
tail = next;
delete tail_copy;
return true;
}
Pop操作会返回队列的头部的元素并删除它。Pop操作首先会复制尾指针，因为它是一个共享的指针，而head是一个私有指针。接下来，它会使用load原子操作获取next指针。如果next指针为空，则返回false。否则，返回节点的数据，并将tail指针指向下一个节点。Pop操作的最后一步是删除旧的节点。
3. 使用原子操作实现无锁队列的Push和Pop操作
对于Push操作，我们使用exchange原子操作来将head指针与新节点交换，以此将新节点插入队列。对于Pop操作，我们使用load原子操作来获取next指针，如果next不为空，则返回节点的数据。
注意，对于原子操作，需要指定内存模型。内存模型决定了操作顺序的序列一致性。
4. 使用memory fences提高可见性和序列一致性
在多线程环境下，线程间的内存可见性和操作序列一致性是非常重要的。C++11提供了memory fence（内存屏障）来实现这些特性。
使用内存屏障可以确保线程间的可见性和序列一致性。在程序中，我们可能需要使用到以下三种内存屏障：
- std::atomic_thread_fence：同步内存屏障，确保线程间的操作按照顺序执行。
- std::atomic_signal_fence：信号内存屏障，确保编译器不会改变分支条件的顺序。
- std::memory_order_consume：消费内存顺序，用于特定的一些原子类型。
示例说明
下面我们使用两个示例来说明如何使用无锁队列。
示例1：多线程生产-消费模型
我们将使用无锁队列来实现一个生产-消费的模型。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include "queue.h"
using namespace std;
Queue<int> queue;
void producer() {
for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
queue.Push(i);
}
}
void consumer() {
int data;
int count = 0;
while (count < 100000) {
if (queue.Pop(data)) {
++count;
cout << data << " ";
}
}
cout << endl;
}
int main() {
thread producer_thread(producer);
thread consumer_thread(consumer);
producer_thread.join();
consumer_thread.join();
return 0;
}
在main函数中，我们创建了一个生产者线程和一个消费者线程。生产者线程使用Push操作将元素插入无锁队列中，而消费者线程使用Pop操作从无锁队列中取出元素并输出。
示例2：多线程无锁队列性能测试
我们将编写一个测试程序来比较应用了锁和无锁队列的性能。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include "queue.h"
using namespace std;
const int kTestSize = 10000000;
void benchmark_lock_queue() {
queue<int> q;
auto start = std::chrono::steady_clock::now();
for (int i = 0; i < kTestSize; ++i) {
q.push(i);
}
for (int i = 0; i < kTestSize; ++i) {
int data;
q.pop(&data);
}
auto end = std::chrono::steady_clock::now();
cout << "Time with lock queue: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << endl;
}
void benchmark_lock_free_queue() {
Queue<int> q;
auto start = std::chrono::steady_clock::now();
for (int i = 0; i < kTestSize; ++i) {
q.Push(i);
}
for (int i = 0; i < kTestSize; ++i) {
int data;
q.Pop(data);
}
auto end = std::chrono::steady_clock::now();
cout << "Time with lock-free queue: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << endl;
}
int main() {
benchmark_lock_queue();
benchmark_lock_free_queue();
return 0;
}
该测试程序创建了一个10,000,000个元素的队列，分别计算了使用锁和无锁队列的操作时间。
结论
使用无锁队列可以提高多线程程序的性能，而避免了使用锁（synchronization primitive）可能带来的一些问题。C++11提供了原子操作和内存屏障，使得实现无锁队列变得简单和有效。
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