c++11 2线程无锁队列

Question

除了主线程，我还有一个线程接收数据并将它们写入文件。

std::queue<std::vector<int>> dataQueue;
std::mutex mutex;

void setData(const std::vector<int>& data) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    dataQueue.push(data);
}

void write(const std::string& fileName) {
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

        while (!dataQueue.empty()) {
            std::vector<int>& data= dataQueue.front();

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            }
        }
    }
}

setData 被主线程使用，write 实际上是写线程。我使用std::lock_quard 来避免内存冲突，但是当锁定写入线程时，它会减慢主线程，因为它必须等待队列被解锁。但我想我可以避免这种情况，因为线程永远不会同时作用于队列的同一个元素。

所以我想做到无锁，但我真的不明白我应该如何实现它。我的意思是，我怎么能在不锁定任何东西的情况下做到这一点？此外，如果写入线程比主线程快，则队列可能大部分时间都是空的，因此它应该以某种方式等待新数据，而不是无限循环以检查非空队列。

编辑：我将简单的std::lock_guard 更改为std::cond_variable，以便它可以在队列为空时等待。但是主线程仍然可以被阻塞，当cvQeue.wait(.)被解析时，它会重新获得锁。另外，如果主线程执行cvQueue.notify_one()，而写线程没有等待呢？

std::queue<std::vector<int>> dataQueue;
std::mutex mutex;
std::condition_variable cvQueue;

void setData(const std::vector<int>& data) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
    dataQueue.push(data);
    cvQueue.notify_one();
}

void write(const std::string& fileName) {
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

        while (!dataQueue.empty()) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
            cvQueue.wait(lock);

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            }
        }
    }
}

Answer 1

如果您只有两个线程，则可以使用无锁单生产者单消费者 (SPSC) 队列。
可以在此处找到有界版本：https://github.com/rigtor/SPSCQueue
Dmitry Vyukov 在这里展示了一个无限版本：http://www.1024cores.net/home/lock-free-algorithms/queues/unbounded-spsc-queue（但您应该注意，这段代码应该适合使用原子。）

关于阻塞弹出操作 - 这是无锁数据结构不提供的东西，因为这样的操作显然不是无锁的。但是，以这样一种方式调整链接实现应该相对简单，即如果队列在推送之前为空，则推送操作会通知条件变量。

Answer 2

我想我有一些东西可以满足我的需要。我做了一个使用std::atomic 的LockFreeQueue。因此，我可以原子地管理队列头/尾的状态。

template<typename T>
class LockFreeQueue {
public:
    void push(const T& newElement) {
        fifo.push(newElement);
        tail.fetch_add(1);
        cvQueue.notify_one();
    }

    void pop() {
        size_t oldTail = tail.load();
        size_t oldHead = head.load();

        if (oldTail == oldHead) {
            return;
        }

        fifo.pop();
        head.store(++oldHead);
    }

    bool isEmpty() {
        return head.load() == tail.load();
    }

    T& getFront() {
        return fifo.front();
    }

    void waitForNewElements() {
        if (tail.load() == head.load()) {
            std::mutex m;
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cvQueue.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(TIMEOUT_VALUE));
        }
    }

private:
    std::queue<T> fifo;
    std::atomic<size_t> head = { 0 };
    std::atomic<size_t> tail = { 0 };
    std::condition_variable cvQueue;
};

LockFreeQueue<std::vector<int>> dataQueue;
std::atomic<bool> store(true);

void setData(const std::vector<int>& data) {
    dataQueue.push(data);
    // do other things
}

void write(const std::string& fileName) {
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store.load()) {

        dataQueue.waitForNewElements();

        while (!dataQueue.isEmpty()) {
            std::vector<int>& data= dataQueue.getFront();

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            }
        }
    }
}

我在waitForNewElements 中仍然有一个锁，但它并没有锁定整个过程，因为它正在等待要做的事情。但最大的改进是生产者可以在消费者弹出时推送。只有当LockFreQueue::tail 和LockFreeQueue::head 相同时才被禁止。表示队列为空，进入等待状态。

我不太满意的是cvQueue.wait_for(lock, TIMEOUT_VALUE)。我想做一个简单的cvQueue.wait(lock)，但问题是当涉及到结束线程时，我在主线程中做store.store(false)。因此，如果写入线程正在等待，它将永远不会在没有超时的情况下结束。所以，我设置了一个足够大的超时时间，这样大部分时间condition_variable 被锁解决，而当线程结束时，它被超时解决。

如果您觉得某些地方一定有问题或必须改进，请随时发表评论。