并发无锁队列学习之二【单生产者单消费者】

1、前言

　　

　　最近工作比较忙，加班较多，每天晚上回到家10点多了。我不知道自己还能坚持多久，既然选择了就要做到最好。写博客的少了。总觉得少了点什么，需要继续学习。今天继续上个开篇写，介绍单生产者单消费者模型的队列。根据写入队列的内容是定长还是变长，分为单生产者单消费者定长队列和单生产者单消费者变长队列两种。单生产者单消费者模型的队列操作过程是不需要进行加锁的。生产者通过写索引控制入队操作，消费者通过读索引控制出队列操作。二者相互之间对索引是独享，不存在竞争关系。如下图所示：

2、单生产者单消费者定长队列

　　这种队列要求每次入队和出队的内容是定长的，即生产者写入队列和消费者读取队列的内容大小事相同的。linux内核中的kfifo就是这种队列，提供了读和写两个索引。单生产者单消费者队列数据结构定义如下所示：

typedef struct
{
    uint32_t r_index; /*读指针*/
    uint32_t w_index; /*写指针*/
    uint32_t size;    /*缓冲区大小*/
    char *buff[0];    /*缓冲区起始地址*/
}ring_buff_st;

为了方便计算位置，设置队列的大小为2的次幂。这样可以将之前的取余操作转换为位操作，即r_index = r_index % size 与 r_index = r_index & (size -1)等价。位操作非常快，充分利用了二进制的特征。
（1）队列初始状态，读写索引相等，此时队列为空。

　　

（2）写入队列

写操作即进行入队操作，入队有三种场景，

2.1 写索引大于等于读索引

2.2写索引小于读索引

2.3.写索引后不够写入一个

（3）读取队列

读队列分为三种场景

3.1写索引大于等于读索引

3.2写索引小于读索引

3.3.读索引后面不够一个

3、单生产者单消费者变长队列

　　有些时候生产者每次写入的数据长度是不确定的，导致写入队列的数据时变长的。这样为了充分利用队列，需要增加一个结束索引，保证队列末尾至少能够写入一个数据。变长队列数据结构定义如下：

typedef struct
{
    uint32_t r_index; /*读指针*/
    uint32_t w_index; /*写指针*/
    uint32_t e_index; /*队列结束指针*/
    uint32_t size;    /*缓冲区大小*/
    char *buff[0];    /*缓冲区起始地址*/
}ring_buff_st;