C++11无锁数据结构

无锁数据结构

• 序

  • 无锁并非真正无锁，正如零拷贝并非零次拷贝。

• 实现

  • 多生产者多消费者队列

    // 基于自旋锁（或者CAS，原理相同，后者实现较为复杂）
    // 通过atomic库中atomic_flag类进行实现自旋达到多生产者多消费者同步。
    #include <iostream>
    #include <atomic>
    ​
    class Queue {
        atomic_flag spin_push_flag = false, spin_pop_flag = false;
        
    public:
        void Push() {
            // 自旋+上锁
            while (spin_push_flag.test_and_set())
                ;
            
            // working...
            
            // 解锁
            spin_push_flag.clear();
        } 
        
        void Pop() {
            // 自旋+上锁
            while (spin_pop_flag.test_and_set())
                ;
            
            // working...
            
            // 解锁
            spin_pop_flag.clear();
        }
    };
    

  • 单生产者单消费者队列

    // 类似内核kfifo
    #include <iostream>
    #include <mutex>
    ​
    class Queue {
    private:
        mutex mutex_push, mutex_pop;
        
    public:
        void Push() {
            lock_gurad<mutex> lck(mutex_push);
            
            // working...
        } 
        
        void Pop() {
            lock_gurad<mutex> lck(mutex_pop);
            
            // working...
        }
    };
    

• 测试

  • 前提：每次主线程十次循环建立100个线程访问队列，即1k线程并发。取100次平均值。一共三个版本：互斥锁单线程访问a、单生产者单消费者b、多生产者多消费者c。

    场景	结果
    Push和Pop接口不工作	a和b时间相仿；c是前二100倍
    Push和Pop接口处理一些简单工作	a和b时间相仿；c是前二的10倍
    Push和Pop接口处理一些较耗时工作	b最快；c其次，为b的2倍；a最慢，为b的7-8倍

• 总结

  • 综合来看：单生产者单消费者模型效率最优（Linux内核kfifo）。不过具体使用何种模型实现线程安全，要根据实际场景进行选择，并且多测试，才能够达到最佳模型的选择。此处仍有一点未提及：若要实现多线程并发访问数据结构，即单生产者单消费者或者多生产者多消费者，仍需要尽量避免共同数据的访问防止segment fault。