認識無鎖隊列

無鎖隊列是 lock-free 中最基本的數據結構，一般應用在需要一款高性能隊列的場景下。

對於多線程用戶來說，無鎖隊列的入隊和出隊操作是線程安全的，不用再加鎖控制。

什么是無鎖隊列

隊列每個開發者都知道，那么什么又是無鎖隊列呢？字面理解起來就是一個無鎖狀態的隊列，多個線程（消費者）同時操作數據的時候不需要加鎖，因為加/解鎖都是一個很消耗資源的動作。

數據結構

我們先看一下無鎖隊列的底層實現數據結構。

無鎖隊列底層的數據結構實現方式主要有兩種：數組 和 鏈接。

數組

在首次初始化時，需要申請一塊連接的大的內存。讀寫數據直接從數據的指定位置操作即可，時間復雜度為O(1)。

缺點：數組長度有限，一旦數組索引位置寫滿，則無法繼續寫入，即隊列有上限。

鏈表

不用像數組一樣，剛開始就申請一塊連接的大的內存空間。只有在每次寫時數據的時候，申請這個數據節點大小的內存即可，這樣就可以實現無限的寫入，沒有長度限制問題。

缺點：每次寫數據都要申請內存，在寫的場景，最差的情況是多少個數據就申請多少次內存，而每次申請都是一個消耗資源的動作。

可以看到無鎖底層的實現的不同各有優勢。多數據情況下，我們都采用鏈表來實現無鎖隊列，主要原因就是寫入可以沒有長度的限制。相比每次申請都要費時來說，滿足前面的條件是我們最基本的要求。當然主要還是真正的使用場景。

CAS

CAS 是 Compare And Swap 的簡稱, 屬於 樂觀鎖，這是一個並發同步原語. 偽代碼如下:

bool compare_and_swap(int *reg, int oldval, int newval)
{
    int reg_val = *reg;
    if(reg_val == oldval)
    {
        *reg = newval;
        return true;
    }
    return false;
}

CAS操作有三個參數，分別表示 內存值V、舊的預期值A 和 修改后的更新值B。

判斷變量內存某個位置的值是否為預期值，如果是則更改為新的值，並返回true，這個過程是原子性操作。如果修改失敗，可能需要重試再次執行CAS操作，直到修改成功，一般稱此過程為自旋。可以看到每次調用 CAS 命令前需要先讀取舊值 oldval。

現在幾乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作，X86下對應的是 CMPXCHG 匯編指令。有了這個操作，我們就可以用其來實現各種無鎖的數據結構。

使用場景

無鎖隊列也屬於隊列的一種，所以大部分隊列的使用場景都可以使用它來代替其它有鎖隊列,無鎖隊列通過不加鎖的方式提高隊列性能。

本文地址：https://www.linuxprobe.com/understanding-lockless-queue.html