手撕环形队列系列二：无锁实现高并发

本文是手撕环形队列系列的第二篇，之前的文章链接如下：
《手撕环形队列》

前面文章介绍的是一个比较基本的环形队列，能够在多线程中使用，但有一个前提：
任意时刻，生产者和消费者最多都只能有一个。

也就是说，如果有多个生产者要并发向队列中写入，需要在外部进行加锁或其它方式的并发控制，保证任意时刻最多只有一个生产者真正向环形队列进行写入。同样的，多个消费者要从队列中读取进行消费，也需要在外部进行加锁或其它方式的并发控制，保证任意时刻最多只有一个消费者从环形队列进行读取。

本文的内容，就是介绍如何能够支持多线程场景下，多生产者并发写入、多消费者并发读取，完全由环形队列内部来解决，无需外部做任何额外的控制。并且，使用无锁的技术来实现，从而避免加锁解锁这种重操作对性能的影响。

无锁数据结构中，主要的技术实现手段是使用cpu的原子指令。介绍原子指令之前，先介绍一下没有原子指令的情况下会有什么问题。

通常我们在程序源码中写的语句，编译为二进制后，代码中的一行文本语句会变成二进制的多条汇编指令，因此这一行文本语句cpu执行时就不是原子的。多行文本语句，就更不是原子的了。多线程并发执行这些文本语句时，对应的多行汇编语句会在多个cpu 核上同时执行，无法保证他们之间的执行先后顺序关系。在多线程同时读写一个共享数据时，会发生各种误判，导致错误的结果。

以环形队列为例，来说明这个问题：
环形队列为初始状态，队列为空。两个生产者线程都要向队列进行写入，都调用 ring_queue_push()方法。这个方法的函数实现中，producer1 线程读取tail 为0，producer2 线程也读取到tail为0。然后producer1 向位置0写入数据，然后把tail 增1，tail变为1。
producer2 也向位置0写入数据，然后把tail 增1. tai增加1的过程：
tail = tail + 1; 
由于producer2 初始读取的tail 值为0，这个cpu core 可能意识不到tail 已经被别的线程修改了，因此还认为tail是0，因此最终
tail = 0 + 1 = 1;

最终的结果，producer2 把producer1的数据给覆盖了(数据丢了)，但两个ring_queue_push()函数调用都返回成功了。这是一个严重的Bug！

实际多线程环境中，各个cpu 之间的代码执行时序都是不同的，因此没有任何防护的情况下，对同样的内存位置写入、对同一个变量的并发读和并发写，都会产生严重的Bug。

为了解决这些问题，原子指令闪亮登场了！

用这些指令，对数据的操作在多cpu的情况下也是原子性的。所谓原子性，就是作为执行的最小单位，不能再分割。cpu core 要么执行了这个指令，要么还没执行这个指令。不会出现在一个cpu core 执行这个指令一半的时候，另外一个cpu core开始执行这个指令的情况。

通过正确使用cpu的原子指令，能够有效解决多线程并发中的各种问题。

在解决多线程并发问题，常规的方法是用mutex、semaphore、condvar等，这些可以理解为粗粒度锁，使用简单，适用范围广，但性能较差。
cpu的原子指令，是cpu指令级的细粒度锁，性能非常高，但设计起来复杂。

各种操作系统、开发语言中都提供了对cpu原子指令的包装函数，因此不需要我们手写汇编指令。

以gcc为例，gcc提供了 一系列builtin 的原子函数，比如今天我们要用的：

bool __sync_bool_compare_and_swap(type *ptr, type oldval， type newval);

这个函数，会将 ptr指向内存中的值，与oldval 比较，如果相等，则把 ptr指向内存的值修改为 newval. 整个比较和修改的全过程，要以原子方式完成。如果比较相等，并且修改成功，则返回true。其它情况都返回false。
这个函数，也叫 cas，取的是 compare and swap 三个单词的首字母缩写。

我们用原子指令，来增强一下环形队列，实现多生产多消费者并发读写。思路如下：
对于写入，每个producer 必须先获得写锁。成功获得写锁之后，写入数据，将tail移动到下一个位置，最后释放写锁。

对于读取，每个consumer 必须先获得读锁。成功获得读锁之后，读取数据，将head移动到下一个位置，最后释放读锁。

整个思路，与传统通过mutex控制对共享数据的读写是完全一样的，只是技术实现上我们用原子指令来实现，这种实现方式叫无锁数据结构。

另外，需要说明的是：
对于head和tail这样的变量，由于多个线程会并发读写，因此我们需要用 volatile 来修饰它们，不让cpu core 缓存它们，避免读到旧数据。

无锁环形队列，支持多生产者多消费者并发读写，用C语言实现的源码如下：

// ring_queue.h
#ifndef RING_QUEUE_H
#define RING_QUEUE_H
​
typedef struct ring_queue_t {
    char* pbuf;
    int item_size;
    int capacity;
​
    volatile int write_flag;
    volatile int read_flag;
​
    volatile int head;
    volatile int tail;
    volatile int same_cycle;
} ring_queue_t;
​
int ring_queue_init(ring_queue_t* pqueue, int item_size, int capacity);
void ring_queue_destroy(ring_queue_t* pqueue);
int ring_queue_push(ring_queue_t* pqueue, void* pitem);
int ring_queue_pop(ring_queue_t* pqueue, void* pitem);
int ring_queue_is_empty(ring_queue_t* pqueue);
int ring_queue_is_full(ring_queue_t* pqueue);
​
#endif

// ring_queue.c
#include "ring_queue.h"
​
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
​
#define CAS(ptr, old, new) __sync_bool_compare_and_swap(ptr, old, new)
​
int ring_queue_init(ring_queue_t* pqueue, int item_size, int capacity) {
    memset(pqueue, 0, sizeof(*pqueue));
    pqueue->pbuf = (char*)malloc(item_size * capacity);
    if (!pqueue->pbuf) {
        return -1;
    }
​
    pqueue->item_size = item_size;
    pqueue->capacity = capacity;
    pqueue->same_cycle = 1;
    return 0;
}
​
void ring_queue_destroy(ring_queue_t* pqueue) {
    free(pqueue->pbuf);
    memset(pqueue, 0, sizeof(*pqueue));
}
​
​
int ring_queue_push(ring_queue_t* pqueue, void* pitem) {
    // try to set write flag
    while (1) {
        if (ring_queue_is_full(pqueue)) {
            return -1;
        }
​
        if (CAS(&pqueue->write_flag, 0, 1)) {   // set write flag successfully
            break;
        }
    }
​
    // push data
    memcpy(pqueue->pbuf + pqueue->tail * pqueue->item_size, pitem, pqueue->item_size);
    pqueue->tail = (pqueue->tail + 1) % pqueue->capacity;
    if (0 == pqueue->tail) {    // a new cycle
        pqueue->same_cycle = 0;     // tail is not the same cycle with head
    }
​
    // reset write flag
    CAS(&pqueue->write_flag, 1, 0);
​
    return 0;
}
​
int ring_queue_pop(ring_queue_t* pqueue, void* pitem) {
    // try to set read flag
    while (1) {
        if (ring_queue_is_empty(pqueue)) {
            return -1;
        }
​
        if (CAS(&pqueue->read_flag, 0, 1)) {    // set read flag successfully
            break;
        }
    }
​
    // read data
    memcpy(pitem, pqueue->pbuf + pqueue->head * pqueue->item_size, pqueue->item_size);
    pqueue->head = (pqueue->head + 1) % pqueue->capacity;
    if (0 == pqueue->head) {
        pqueue->same_cycle = 1;     // head is now the same cycle with tail
    }
​
    // reset read flag
    CAS(&pqueue->read_flag, 1, 0);
​
    return 0;
}
​
int ring_queue_is_empty(ring_queue_t* pqueue) {
    return (pqueue->head == pqueue->tail) && pqueue->same_cycle;
}
​
int ring_queue_is_full(ring_queue_t* pqueue) {
    return (pqueue->head == pqueue->tail) && !pqueue->same_cycle;
}

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