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无锁队列

写这篇博客前想声名以下几点。第一，这篇文章重点内容是关于无锁队列如何实现，并不会深入讲解底层的CAS机制。原因就是第二条，不知道在看博客的你是否在搜索框中输入过”无锁队列”关键字，你点开居然会惊讶的发现每一篇居然都是那么的相似，一直不理解写博客A抄B，B抄C只是为了骗访客吗？

这篇被抄来抄去的博客就是酷壳陈皓老师的原创，老师的博客中深入讲解了无锁队列的原理。只是缺少最后一份代码的实现，既然有大牛级别的讲解，那我们就完成那部分没有实现的部分。

还不曾知道无锁队列底层CAS机制的同学可以看看陈老师和程序员小灰的这两篇文章：无锁队列的实现 和 什么是CAS机制

无锁队列基本原理

其实CAS机制并不难理解，你只需要理解CAS机制中的三个关键词。分别为原本值、期望值、更新值(名词)。这三个值配合起来用一句话概括为：如果原本值和期望值相同，那么就将原本值修改为更新值

从图中可以看出，CAS机制并不难理解，那么下面就一起看看无锁队列的思想吧。

无锁队列具体实现

我们这里需要使用C++11中引入的atomic类，这个类被意为原子的操作，函数接口很容易使用，我们先来看无锁队列实现思想，然后结合代码来理解会更容易

无锁队列基本结构

对每一个指针操作时都需要是原子的，也就是指针的指向要么发生变化，要么没有变化，不会产生第三种结果。每个队列需要有一个哑节点，这样能更好的判断队列是否为空。

#include<atomic>
using namespace std;

template<class T>
class LockFreeQueue
{ 
   
    struct Node
    { 
   
        T _value;
        atomic<Node*> _next;
        Node(const T& v)
            :_value(v)
            ,_next(nullptr)
        { 
   }
    };
    public:
    LockFreeQueue()
    { 
   
        _head = _tail = new Node(T());
    }

    ~LockFreeQueue()
    { 
   
        Node* cur = _head;
        while(cur)
        { 
   
            Node* next = cur->_next;
            delete cur;
            cur = next;
        }
    }
private:
    atomic<Node*> _head;
    atomic<Node*> _tail;
};

无锁队列如何入队列？

下面介绍一下atomic类型的两个函数操作

//取出当前atomic对象指向的值
T load (memory_order sync = memory_order_seq_cst) const volatile noexcept;
//如果内存中的值和参数一相同，那么替换为参数二，成功返回true
bool compare_exchange_weak (T& expected, T val,
           memory_order sync = memory_order_seq_cst) volatile noexcept;

两个函数看起来很复杂，用起来其实超级简单，现在一起来看对无锁队列的插入代码块：

void Enqueue(const T& x)
{ 
   
	Node* newnode = new Node(x);//要插入的新值
	Node* oldtail = nullptr;//旧的尾节点
	Node* nullnode = nullptr;//空节点
	do
	{ 
   
		oldtail = _tail.load();//用load取出当前_tail节点的值
	} 
	//如果当前tail节点的下一个节点是空，也就是等于参数一，那么修改为参数二
	while (oldtail->_next.compare_exchange_weak(nullnode, newnode) != true);
	//由于现在的真正的尾节点是newnode，所以将_tail节点更新为newnode
	_tail.compare_exchange_weak(oldtail, newnode);
}

这里要明白，while条件里的CAS语句是为了插入这个新节点，而最后一句是为了将控制整个队列的_tail指针修改为指向新尾部

无锁队列如何出队列？

出队列比插入更简单，那么废话不多说，直接看看出队列如何实现：

T DeQueue()
{ 
   
	Node* oldhead = _head.load();//取出当前的头节点，也就是哑节点
	T ret;
	do
	{ 
   
		Node* next = oldhead->_next;//取出头节点的下一个节点，此节点中有我们想要的值
		if(next == nullptr)
		{ 
   
			return T();
		}
		else
		{ 
   
			ret = next->_value;//取走值
		}
	}
	//将头节点(哑节点)修改为下一个节点
	while(_head.compare_exchange_weak(oldhead,oldhead->_next) != true);	
	delete oldhead;
	return ret;
}

判断队列是否为空和其他问题

判断是否为空，直接判断头部和尾部是否指向同一个节点

bool Empty()
{ 
   
	return _head.load() == _tail.load();
}

因为我们的无锁队列是不能够被拷贝的，所以我们使用delete关键字直接将拷贝构造函数删除掉

LockFreeQueue(const LockFreeQueue<T>&) = delete;

到这里，我们的无锁队列就实现完成了，之所以这么简单，还是因为C++库为我们提供了atomic这个类。无锁队列这里重在理解他的如何使用CAS的思想去更新节点的。

无锁队列全部源码和测试

经过笔者多次测试，发现无锁队列总体来说还是不错的，比加锁的队列能快一倍左右(第一行为无锁队列)，这是插入10w数据的一次的结果，基本在这两个数字中波动。但是无锁队列对于线程数量的选择很关键。随着线程数增大，最后会比加锁队列更差，原因不难理解，CAS机制本身还是太消耗CPU资源了。

#pragma once
#include<atomic>
#include<iostream>
#include<queue>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
using namespace std;

template<class T>
class LockFreeQueue
{ 
   
	struct Node
	{ 
   
		T _value;
		std::atomic<Node*> _next;
		Node(const T& x)
			: _value(x)
			, _next(nullptr)
		{ 
   }
	};

public:
	LockFreeQueue()
	{ 
   
		_head = _tail = new Node(T());
	}

	LockFreeQueue(const LockFreeQueue<T>&) = delete;

	~LockFreeQueue()
	{ 
   
		Node* cur = _head;
		while (cur)
		{ 
   
			Node* next = cur->_next;
			delete cur;
			cur = next;
		}
	}

	void Enqueue(const T& x)
	{ 
   
		Node* newnode = new Node(x);
		Node* oldtail = nullptr;
		Node* nullnode = nullptr;
		do
		{ 
   
			oldtail = _tail.load();
		} while (oldtail->_next.compare_exchange_weak(nullnode, newnode) != true);
		_tail.compare_exchange_weak(oldtail, newnode);
	}

	T Dequeue()
	{ 
   
		Node* oldhead = _head.load();
		T headvalue;
		do
		{ 
   
			Node* next = oldhead->_next;
			if (next == nullptr)
			{ 
   
				return T();
			}
			else
			{ 
   
				headvalue = next->_value;	
			}
		} 
		while (_head.compare_exchange_weak(oldhead, oldhead->_next) != true);

		delete oldhead;
		return headvalue;
	}

	bool Empty()
	{ 
   
		return _head.load() == _tail.load();
	}
private:
	std::atomic<Node*> _head;
	std::atomic<Node*> _tail;
};

mutex mutx;
int main()
{ 
   
	LockFreeQueue<int> lq;
	queue<int> nq;
	atomic<size_t> n = 100000;

	//测试无锁队列
	{ 
   
		size_t costtime = 0;
		vector<thread> threads;
		for (size_t i = 0; i < 3; ++i)
		{ 
   
			threads.push_back(thread([&]()
			{ 
   
				size_t begin = 0, end = 0;
				begin = clock();
				for (size_t j = 0; j < n; ++j)
				{ 
   
					lq.Enqueue(j);
				}
				end = clock();
				costtime += (end - begin);
			}));
		}
		for (auto& e : threads)
		{ 
   
			e.join();
		}
		cout << costtime << endl;
	}

	//测试有锁队列
	{ 
   
		size_t costtime = 0;
		vector<thread> threads;
		for (size_t i = 0; i < 3; ++i)
		{ 
   
			threads.push_back(thread([&]()
			{ 
   
				size_t begin = 0, end = 0;
				begin = clock();
				for (size_t j = 0; j < n; ++j)
				{ 
   
					mutx.lock();
					nq.push(j);
					mutx.unlock();
				}
				end = clock();
				costtime += (end - begin);
			}));
		}
		for (auto& e : threads)
		{ 
   
			e.join();
		}
		cout << costtime << endl;
	}

	return 0;
}