高效无锁环形队列

Posted 2021-12-19 HeroKern

在linux零拷贝技术中提到高效无锁环形队列，这篇文章分享这个知识点，这个知识点不是很复杂。环形队列多用于多线程之间数据异步传输，提高数据处理性能。下面介绍常规环形队列和高效无锁队列两种处理方式。
常规环形队列如下图所示，队列头代表写指针，队列尾代表读指针，通过判断读写的位置判断队列是否为空，是否满，通过线程锁来保证读写指针在使用时只被一个线程使用，从而保证数据不会出错。（出错原因，当一个线程在对读写指针修改时，调度器将该线程切换出去访问另外一个线程，如果该线程正好也会对读写指针进行修改，那么就会导致读写指针被污染而不能继续使用）。

环形队列初始化代码如下：

读写指针相等代表队列为空，写指针加一等于读指针代表队列未满，这里需要注意队列缓存从尾部跳转到头部这个临界值需要单独处理。
读队列处理函数如下图所示。读取队列首先应该判断该队列是否为空，如果没有数据就休眠等待有数据，有数据就取出数据并且让读指针加一，加满到队列大小后就重新从0位置开始。
注意：pthread_cond_wait这里不存在死锁情况，该函数内部为自动调用pthread_mutex_unlock函数进行解锁。当等到pthread_cond_signal该信号时候就退出休眠自动调用pthread_mutex_lock函数上锁。

环形队列写函数如下所示。需要对队列操作时需要上锁，然后判断队列是否未满，如果队列满了就退出，未满就可以向队列中写数据，同时写指针加一，同时出发条件变量信号。注意：pthread_cond_signal和pthread_cond_wait函数不需要一一对应，及时没有进入pthread_cond_wait等待状态，也不影响pthread_cond_signal函数，pthread_cond_signa不存在累计的情况。
以上就是常规环形队列处理方式，pthread_mutex_lock函数是阻塞方式获取锁，比较耗时效率相对低。

高效无锁队列
高效无锁队列与环形队列思想基本一致，只是去掉了互斥锁部分，引入了标志位。高效无锁队列如下所示。

队列分布于常规队列一致，在队列每项前面添加了一个标志位，就是图中红色部分，标志位 用于判断该像目前的状态，一共有可以写（CAN_WRITE），可以读（CAN_READ），正在读（READING），正在写（WRITING）四种状态。
初始化如下所示。代码思想比较简单就不在讲解代码了。

取数据函数如下所示。

写数据函数如下所示。写数据之前需要判断是否有可以写的地址，以阻塞方式去取写地址。

给队列写数据就需要去获取可用的队列地址，阻塞方式获取到可以使用的队列地址，同时让下指针加一，读队列会去判断队列是否有数据。该方式判断是通过标志位进行判断的，这种方式在实际使用场景比较多，特别裸奔程序中（就是不上系统，像单片机程序）。

总结
本文分享了常规环形队列和高效无锁队列，这两种方式在实际应用中比较多，有需要技术支持的联系:yolov8。