没有原子的 SPSC 无锁队列

Question

我的记录器有一个 SPSC 队列。

它肯定不是一个通用的 SPSC 无锁队列。

但是，考虑到关于如何使用、目标架构等的一系列假设，以及一些可接受的权衡，我将在下面详细介绍，我的问题基本上是，它是否安全/是否有效？

• 它将仅用于x86_64 架构，因此写入uint16_t 将是原子的。
• 只有生产者更新tail。
• 只有消费者更新head。
• 如果生产者读取 head 的旧值，则看起来队列中的空间比实际空间少，这在使用 is 的上下文中是可以接受的限制。
• 如果消费者读取旧值 tail，看起来队列中等待的数据比实际少，这也是可以接受的限制。

上述限制是可以接受的，因为：

• 消费者可能不会立即获得最新的tail，但最终会到达最新的tail，并会记录排队的数据。
• 生产者可能无法立即获得最新的head，因此队列看起来比实际更满。在我们的负载测试中，我们发现了我们记录的数量与队列的大小，以及记录器排空队列的速度，这个限制没有影响 - 队列中总是有空间。

最后一点，volatile 的使用是必要的，以防止每个线程只读取的变量被优化出来。

我的问题：

• 这个逻辑正确吗？
• 队列线程安全吗？
• volatile 够用吗？
• volatile 有必要吗？

我的队列：

class LogBuffer
{
public:
    bool is_empty() const { return head_ == tail_; }
    bool is_full()  const { return uint16_t(tail_ + 1) == head_; }
    LogLine& head()       { return log_buffer_[head_]; }
    LogLine& tail()       { return log_buffer_[tail_]; }
    void advance_head()   { ++head_; }
    void advance_hail()   { ++tail_; }
private:
    volatile uint16_t tail_ = 0;     // write position
    LogLine log_buffer_[0xffff + 1]; // relies on the uint16_t overflowing
    volatile uint16_t head_ = 0;     // read position
};

Answer 1

这个逻辑正确吗？

是的。

队列线程安全吗？

没有。

volatile 是否足够？ volatile 有必要吗？

不，两者都是。 Volatile 不是使任何变量线程安全的神奇关键字。您仍然需要为索引使用原子变量或内存屏障，以确保在生产或消费项目时内存排序正确。

更具体地说，在您为队列生产或使用项目后，您需要发出内存屏障以保证其他线程将看到更改。当您更新原子变量时，许多原子库会为您执行此操作。

顺便说一句，使用“was_empty”而不是“is_empty”来明确它的作用。此调用的结果是一个时间实例，当您对其值采取行动时，该实例可能已发生变化。