两个线程访问的共享队列的临界区代码是什么？

Question

假设我们有一个共享队列（使用数组实现），两个线程可以访问该队列，一个用于从中读取数据，另一个用于向其写入数据。现在，我有一个同步问题。我正在使用 Win32 API（EnterCriticalSection 等）来实现这一点。

但我的好奇心是队列的入队和出队操作中的临界区代码是什么？

仅仅因为，两个线程正在使用共享资源？为什么我看不到任何问题是这样的：前后端都被维护了，所以当ReaderThread读取时，它可以从前端读取，而当WriterThread写入时，它可以很容易地写入后端。

可能会出现哪些潜在问题？

Answer 1

对于单个生产者/消费者循环队列实现，实际上不需要锁。只需设置一个条件，即如果队列已满，则生产者无法写入队列，如果队列为空，则消费者无法从队列中读取。此外，生产者将始终写入指向队列中第一个可用空槽的tail 指针，而消费者将从代表队列中第一个未读槽的head 指针读取。

您的代码可能类似于以下代码示例（注意：我假设在初始化队列中 tail == head，并且两个指针都声明为 volatile，因此优化编译器不会重新排序给定线程内的操作。在 x86 上，由于架构的强内存一致性模型，不需要内存屏障，但在其他需要内存屏障的内存一致性模型较弱的架构上，这会有所改变）：

queue_type::pointer queue_type::next_slot(queue_type::pointer ptr);

bool queue_type::enqueue(const my_type& obj)
{
    if (next_slot(tail) == head)
        return false;

    *tail = obj;
    tail = next_slot(tail);

    return true;
}

bool queue_type::dequeue(my_type& obj)
{
    if (head == tail)
        return false;

    obj = *head;
    head = next_slot(head);

    return true;
}

函数next_slot 简单地递增head 或tail 指针，以便它返回指向数组中下一个槽的指针，并考虑任何数组环绕功能。

最后，我们保证单生产者/消费者模型中的同步，因为我们不会增加 tail 指针，直到它将数据写入它指向的插槽，并且我们不会增加 head 指针直到我们已经从它指向的插槽中读取了数据。因此，对dequeue 的调用将不会返回有效，直到至少对enequeue 进行了一次调用，并且tail 指针永远不会覆盖head 指针，因为enqueue 中的检查。此外，只有一个线程递增 tail 指针，而一个线程递增 head 指针，因此共享读取或写入同一指针不会产生同步问题，需要锁定或某种类型的原子操作。