单一生产者单一消费者的无锁循环缓冲区

Question

我有一个不能锁定或分配内存的消费者线程和一个可以的生产者线程。 我想实现一个两个位置的循环缓冲区，以便能够从生产者向消费者线程提供数据，并且每当没有新数据可供消费时，消费者只会重新使用已经可用的数据。

这是我现在想出的：

bool newDataAvailable = false;
bool bufferEmpty = true;

foo* currentData = new foo();
foo* newData = new foo();

void consumer() {
  while(true) {
    currentData->doSomething();
    if(newDataAvailable) {
      foo* tmp = currentData;

      // Objects are swapped so the old one can be reused without additional allocations
      currentData = newData;
      newData = tmp;
      newDataAvailable = false;
      bufferEmpty = true;
    }
  }
}

void producer() {
  while(true) {
    while(!bufferEmpty) { wait(); }
    newData->init();
    bufferEmpty = false;
    newDataAvailable = true;
  }
}

这种幼稚的实现可以吗？我知道读取和写入变量可以是非原子的，所以我应该使用原子存储，但那些会导致锁。这里需要使用原子存储吗？ 另外，我想消除生产者中的主动等待，我想我可以使用std::condition_variable，但它们需要使用互斥锁，我买不起。

Answer 1

在不使用互斥锁的情况下编写共享变量的多线程代码非常困难。 见An Introduction to Lock-Free Programming，Lock Free Buffer。

如果您绝对必须避免使用互斥锁，那么我强烈建议您使用预制的无锁队列，例如Boost.lockfree 或 MPMCQueue 作为轻型非增强替代品。

我知道读取和写入变量可以是非原子的，所以我应该使用原子存储，但这些会导致锁定。

std::atomic 对于所有原始类型（不超过 CPU 的本机大小）通常是无锁的（不使用互斥锁）。 你可以通过调用std::atomic<T>::is_lock_free来检查std::atomic是否会为给定类型使用互斥锁

这里需要使用原子存储吗？

是的，当然。您需要使用互斥锁或原子。

另外，我想消除生产者中的主动等待，我想我可以使用 std::condition_variable

当您不能使用互斥锁时，您唯一的选择是使用自旋锁。 如果在您的上下文中允许，您可以在自旋锁中使用std::this_thread::yield() 以减少 CPU 负载。 （但是互斥锁可能会更快）

编辑： 只有 2 个原子的潜在解决方案是：

std::atomic<foo*> currentData = new foo();
std::atomic<foo*> newData = new foo();

void consumer() {
    foo* activeData = currentData;
    while (true) {
        activeData->doSomething();
        foo* newItem = currentData;
        if (newItem != activeData) {
            newData = activeData;
            activeData = newItem;
        }
    }
}

void producer() {
    while (true) {
        foo* reusedData = newData;
        if (!reusedData)
            continue;
        newData = nullptr;
        reusedData->init();
        currentData = reusedData;
    }
}