參考自DPDK官方文檔原文：http://doc.dpdk.org/guides-20.02/prog_guide/ring_lib.html
針對自己的理解做了一些輔助解釋。
1 前置知識
1.1 CAS
學習無鎖隊列前先看一個基本概念，CAS原子指令操作。
CAS（Compare and Swap，比較並替換）原子指令，用來保障數據的一致性。
指令有三個參數，當前內存值V、舊的預期值A、更新的值B，當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值修改為B並返回true，否則什么都不做，並返回false。
在DPDK中封裝后的函數如下：
rte_atomic32_cmpset(&r->prod.head, *old_head, *new_head)
&r->prod.head指向當前內存值，*old_head為執行該操作前將r->prod.head存儲到臨時變量的值，*new_head為即將更新的值。
只有r->prod.head == *old_head才會將r->prod.head更新為*new_head
1.2 其他ring實現的參考（了解）
1）FreeBSD中Ring實現的參考
在FreeBSD 8.0中添加了以下代碼，並在某些網絡設備驅動程序中使用（至少在Intel驅動程序中）：
2）Linux中無鎖Ring的實現
http://lwn.net/Articles/340400/
2 Ring Library
2.1 介紹
ring是一個有限大小的鏈表，它具有以下屬性：
- FIFO( First Input First Output)簡單說就是指先進先出
- 大小固定，指針存儲在表中
- 無鎖實現
- 多消費者或單消費者出隊
- 多生產者或單生產者入隊
- 批量（Bulk）出隊：如果成功，將指定數量的對象出隊; 否則失敗
- 批量入庫：如果成功，將指定數量的對象入隊; 否則失敗
- 爆發（Burst）出隊：如果指定數量的對象無法滿足，則將最大可用數量的對象出隊
- 爆發入隊：如果指定數量的對象無法滿足，則將最大可用數量的對象入隊
這種數據結構相比於鏈表隊列優勢：
- 更快：比較void *大小的數據，只需要執行單次CAS指令，而不需要執行2次CAS指令
- 比完全無鎖隊列簡單
- 適用於批量入隊/出隊操作。因為指針存儲在表中，多個對象出隊並不會像鏈表隊列那樣產生大量的緩存未命中，此外，多個對象批量出隊不會比單個對象出隊開銷大
缺點如下：
- 大小固定
- 它在許多情況下，內存方面的成本比鏈表列表的成本更高。空環至少包含N個指針。
Ring庫的用例包括：
- DPDK應用之間的信息交互
- 內存池中的使用
注：
一個Ring被唯一的名字識別，當嘗試創建兩個名字相同的Ring時，rte_ring_create()函數會在第二次執行時返回NULL。
2.2 Ring實現原理
本節介紹環形緩存的運作方式。ring結構由兩對head，tail組成，一對被生產者使用（cons），一對被消費者使用（prod），
在后續介紹中，r->cons.head和r->cons.tail 分別指向消費者的頭和尾，r->prod.head和r->prod.tail指向生產者的頭和尾。
下文中每種圖形代表了環形緩存ring的一個簡單狀態。局部變量在隊列圖形的上方表示（如cons_head，prod_head等都是局部變量），ring結構相關變量在隊列圖形的下方表示（以r->開頭）。
2.2.1 單生產者入隊
本節介紹當單生產者添加一個對象到ring時發生了什么。在這個例子中，僅只有一個生產者，僅只有生產者的head和tail（r->cons.head、r->cons.tail）索引被修改了，在初始狀態， 它們指向相同的位置。
2.2.2.1 入隊第一步
使用局部變量保存r->prod.head 和 r->cons.tail，同時prod_next局部變量指向prod_head的下一個元素，若是批量入隊就指prod_head的下N個元素。假如ring里沒有足夠的空間（通過檢查cons_tail），入隊函數將返回錯誤。
2.2.2.2 入隊第二步
修改ring結構體里的r->prod.head 索引，將它指向局部變量prod_next指向的位置。
將“新增對象的指針”(下圖中的obj4)復制到ring里。
2.2.2.3 入隊最后一步
一旦添加對象被復制到ring后，ring結構體里的 r->prod.tail索引將指向 r->prod.head的位置，入隊操作完成。
2.2.3 單消費者出隊
在這個例子中，僅有一個消費者，僅有消費者的head和tail（r->cons.head 和 r->cons.tail）索引被修改了。
初始狀態， r->cons.head 和 r->cons.tai指向相同的位置。
2.2.2.1 出隊第一步
使用局部變量保存r->cons.head 和 r->prod.tail。 cons_next局部變量指向cons_head的下一個元素，若是批量出隊就指向cons_head的下N個元素。假如ring里沒有足夠的空間（通過檢查prod_tail），出隊函數將返回錯誤。
2.2.2.2 出隊第二步
修改ring結構體里的r->cons.head 索引，將它指向局部變量cons_next指向的位置。
將對象的指針(上圖ring中的obj1)復制到用戶傳進來的指針中。
2.2.2.3 出隊最后一步
ring結構體中的 ring->cons.tail索引指向和 ring->cons.head，局部變量cons_next相同的位置（obj2的位置）。出隊操作完成。
2.2.4 多生產者入隊
在這個例子中，僅有生產者的head和tail（r->prod.head 和 r->prod.tail）被修改了。初始狀態， 它們指向相同的位置。
2.2.4.1 多生產者入隊第一步
在兩個生產者core中（這個core可以理解成同時運行的線程或進程），各自的局部變量都保存r->prod.head 和 r->cons.tail。 各自的局部變量prod_next索引指向r->prod.head的下一個元素，如果是批量入隊，指向下N個元素。
假如ring里沒有足夠的空間（檢查cons_tail獲知），入隊函數將返回錯誤。
2.2.4.2 多生產者入隊第二步
修改ring結構體里的r->prod.head 索引，將它指向局部變量prod_next指向的位置。這個操作是通過使用 Compare And Swap (CAS)執行完成的， Compare And Swap (CAS)包含以下原子操作：
- 如果r->prod.head索引和局部變量prod_head索引不相等，CAS操作失敗，代碼將重新從第一步開始執行。
- 否則，將r->prod.head索引指向局部變量prod_next的位置，CAS操作成功，繼續下一步處理。
注：涉及到了兩個core同時對r->prod.head讀取，使用了volatile修飾。同樣的prod和cons的2對head和tail都是用了volatile修飾。
在下圖中，生產者core1執行成功，生產者core2重新從第一步開始執行。
2.2.4.3 多生產者入隊第三步
生產者core2中CAS指令重試成功，r->prod.head位置被更新。
生產者core1更新對象obj4到ring中，生產者core2更新對象obj5到ring中。
2.2.4.4 多生產者入隊第四步
現在每個生產者core都想通過CAS更新 r->prod.tail索引。生產者core代碼中，只有r->prod.tail等於自己局部變量prod_head才能被更新，顯然從上圖中可知，只有生產者core1才能滿足，生產者core1完成了入隊操作。
2.2.4.5 多生產者入隊最后一步
一旦生產者core1更新了r->prod.tail后，生產者core2也可以更新r->prod.tail了。至此，生產者core2也完成了入隊操作。
注：
1）從修改r->prod.head和r->prod.tail的步驟來看，存在“重試”的動作（代碼里看是通過while循環不斷嘗試），因此雖然說是無鎖，但是在多生產者情況下還是會有競爭。在創建隊列時需要傳入是否多生產者的標記，這個標記一定要正確，否則影響性能或准確性。
2）多消費者情況類似，參考上文可以推導出，這里就不再重復。
2.2.5 關於32位取模索引
在前面的圖例中，prod_head, prod_tail, cons_head 和 cons_tail 都是用箭頭表示的。但在實際的代碼實現中，他們的值並不是0和ring大小減一之間的數值。索引的大小范圍是0—2^32-1，當訪問ring中的數據時，真正的索引等於ring中索引值和掩碼與之后的值。32 bit取模的意思是如果索引操作（加減）的結果的值超出了32 bit數據的范圍，溢出的值忽略，只看省下的位組成的數。
下面的兩個例子幫助解釋索引在ring中如何使用的，為了簡便，例子操作的是16位而不是32位。另外，關鍵的四個索引也被定義成16位的整數，現實代碼實現是用得32位的整數。
例1：ring包含了11000條目
例2：ring包含了12536個條目
為了便於理解，上面的例子中使用模65536的操作。在真實代碼實現中，這是冗長低效的，但是當結果溢出時是自動完成的。
代碼實現總是將producer 和 consumer保持0—ring大小減1的距離。 這個特性的好處是我們能在兩個32位索引值之間做減法，且差值永遠在0一ring大小減1范圍內：這也是為什么結果溢出不是什么大問題。
在任何時候，已經使用的條目和空閑的條目永遠在0一ring大小減1之間。
uint32_t entries = (prod_tail - cons_head); uint32_t free_entries = (mask + cons_tail - prod_head);