无锁队列的实现-循环数组

通过CAS操作免锁设计：

• CAS原子 操作（Compare & Set）：包含三个操作数，内存值V、旧的预期值 oldval、要修改的新值newval，当且仅当内存V中的值和旧值oldval相同时，将内存V修改为newval。
• 数组队列是一个循环数组，队列少用一个元素，当头等于尾标示队空，尾加1等于头标示队满。
• 数组的元素用EMPTY（无数据，标示可以入队）和FULL（有数据，标示可以出队）标记指示，数组一开始全部初始化成 EMPTY标示空队列。
• EnQue 操作：如果当前队尾位置为EMPTY，标示线程可以在当前位置入队，通过CAS原子操作把该位置设置为FULL，避免其它线程操作这个位置，操作完后修改队尾位置。各个线程竞争新的队尾位置。如下图所示：

1. 线程T1/T2竞争队尾位置。
2. T1竞争成功，首先设置FULL标记，然后对该位置进行操作。
3. T2轮询该位置标识为FULL继续轮询。
4. T1操作完成后将队尾位置后移。
5. T1/T2又开始竞争新的队尾。

• DeQue 操作：如果当前队头位置为FULL，标示线程可以在当前位置出队，通过CAS原子操作把该位置设置为EMPTY，避免其它线程操作这个位置，操作完后修改队头位置。各个线程竞争新的队头位置。
• 操作没有加锁，每个线程都假设没有冲突的去完成操作，如果因为冲突失败就重试。

#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"
#include <pthread.h>
#define MAXLEN 2
#define CAS __sync_bool_compare_and_swap

typedef struct
{
    int elem;
    int status;//用于状态监测
}node;

typedef struct
{
    node elePool[MAXLEN];
    int front;
    int rear;
}queue;

enum
{
    EMPTY =1,
    FULL,
};

queue g_que;

void initQue()
{
    int i = 0;
    g_que.front = 0;
    g_que.rear  = 0;
    
    for(i=0;i<MAXLEN;i++)
    {
        g_que.elePool[i].status = EMPTY;
    }
    return;
}

int enque(int elem)
{
    do
    {
        if((g_que.rear+1)%MAXLEN == g_que.front)
        {
            return -1;
        }
    }while(!CAS(&(g_que.elePool[g_que.rear].status),EMPTY,FULL));
    g_que.elePool[g_que.rear].elem = elem;
    printf("in--%d(%lu)\n",elem,pthread_self());
    CAS(&(g_que.rear),g_que.rear,(g_que.rear+1)%MAXLEN);
    
    return 0;
}

int deque(int* pElem)
{
    do
    {
        if(g_que.rear == g_que.front)
        {
            return -1;
        }
    }while(!CAS(&(g_que.elePool[g_que.front].status),FULL,EMPTY));
    *pElem = g_que.elePool[g_que.front].elem;
    printf("out--%d(%lu)\n",*pElem,pthread_self());
    CAS(&(g_que.front),g_que.front,(g_que.front+1)%MAXLEN);
    return 0;
}

通过CAS、FAA、FAS操作免锁设计：

• FAA操作：原子加1操作，返回更新前的值。
• FAS操作：原子减1操作，返回更新前的值。
• 增加writeableCnt指示队列还可以写入元素个数，readableCnt指示队列中存在的元素个数。用来控制可以并发操作的线程个数。
• EnQue 操作：通过原子加操作给每个要求操作的线程分配为唯一一个位置信息存放在局部变量pos中，各个线程并行的操作对应位置的信息，不再需要轮询等待。如下图所示：

1. T1/T2线程初始操作队尾的两个位置。
2. T1操作完后直接操作下一个队尾位置。

• DeQue 操作：如果当前队头位置为FULL，标示线程可以在当前位置出队，通过CAS原子操作把该位置设置为EMPTY，避免其它线程操作这个位置，操作完后修改队头位置。各个线程竞争新的队头位置。
• 多个线程可以同时进行入队，避免了在同一个位置等待轮询，对效率有明显提升。

#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"
#include <pthread.h>
#define MAXLEN 2000
 
#define NUM_THREADS 8
#define NUM_MSG        500
#define CAS __sync_bool_compare_and_swap
#define FAA __sync_fetch_and_add
#define FAS __sync_fetch_and_sub
#define VCAS __sync_val_compare_and_swap

int g_inputOver = 0;
typedef struct
{
    int elem;
    long threadId;
    int status;//indicate whether the node can be read
}node;

typedef struct
{
    node elePool[MAXLEN];
    int front;
    int rear;
    int writeableCnt;//the number of node that can be written
    int readableCnt; //the number of node that have been written
}queue;

enum
{
    EMPTY =1,
    FULL,
};

queue g_que;

void initQue()
{
    int i = 0;
    g_que.front = 0;
    g_que.rear  = 0;
    g_que.readableCnt  = 0;
    g_que.writeableCnt = MAXLEN;
    
    for(i=0;i<MAXLEN;i++)
    {
        g_que.elePool[i].status = EMPTY;
    }
    return;
}

int enque(int elem)
{    
    int pos = 0;   
    if(FAS(&(g_que.writeableCnt),1) <= 0)
    {
        printf("dis-%d(%u)\n",elem,pthread_self());
        FAA(&(g_que.writeableCnt),1);
        return -1;
    } 
    //CAS(&(g_que.rear),g_que.rear,g_que.rear%MAXLEN);
    CAS(&(g_que.rear),MAXLEN,0);
    pos = FAA(&(g_que.rear),1)%MAXLEN;
    g_que.elePool[pos].elem = elem;
    g_que.elePool[pos].threadId = pthread_self();
    printf("in-%d(%u),inpos=(%d),rear=(%d)\n",elem,pthread_self(),pos,g_que.rear);
    CAS(&(g_que.elePool[pos].status),EMPTY,FULL);
    FAA(&(g_que.readableCnt),1);
    return 0;
}
int deque(int* pElem, int* pThreadId)
{   
    //printf("readableCnt--%d,pos = %d\n",g_que.readableCnt,g_que.front);
    do
    {
        if(g_que.readableCnt == 0)
        {
            return -1;
        }
    }while(!CAS(&(g_que.elePool[g_que.front].status),FULL,EMPTY));
    *pElem = g_que.elePool[g_que.front].elem;
    *pThreadId = g_que.elePool[g_que.front].threadId;
    CAS(&(g_que.front),g_que.front,(g_que.front+1)%MAXLEN);
    FAS(&(g_que.readableCnt),1);
    FAA(&(g_que.writeableCnt),1);
    printf("out-%d(%u)(%u)\n",*pElem,*pThreadId,pthread_self());
    return 0;
}

void* SendMsg(void *arg) 
{
    int msgNo = 0;
    for ( msgNo = 0; msgNo < NUM_MSG; msgNo++ )
    {
        usleep(1000);
        enque(msgNo);
    }
    g_inputOver++;
    return NULL;
}

int main(void)
{
 
    int rc,i;     
    pthread_t thread[NUM_THREADS];
    int elem,threadId;

    initQue();
    for( i = 0; i < NUM_THREADS; i++ )  
    {
        printf("Creating thread %i\n", i);   
        rc = pthread_create(&thread[i], NULL, SendMsg, NULL);  
        if(rc)
        {   
            printf("ERROR; return code is %d\n", rc); 
        return -1;
        }
    }
    while((NUM_THREADS != g_inputOver) || (g_que.readableCnt != 0))
    {
        //printf("readableCnt--%d,g_inputOver--%d\n",g_que.readableCnt,g_inputOver);
        rc = deque(&elem,&threadId);
        if (0 == rc)    
        {
            usleep(100);
        }
    }
    printf("WCnt-%d\n",g_que.writeableCnt);
    printf("RCnt-%d\n",g_que.readableCnt);
    return 0;
}

 

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