背景

   近期在项目中用到了无锁队列 (lock free queue)这个东西，在项目中后台需要收集数据，待收集完整后需要落地，如果收集和落地都由一个进程来做，效果不好。无锁队列是蛮实用的一种数据结构。譬如，当一些后台的任务，写数据库，文件等，会出现较长时间的阻塞，可以交由后台进程去处理。这时候就涉及 IPC 方面的知识。当然，完全可以使用 fifo，mq 之类的系统预置的调用，但频繁的系统调用是吃不消的。

   一个解决方法是，在共享内存中实现无锁队列，逻辑进程往队列中 push 任务，后端服务进程从队列中 pop 任务，以提高逻辑进程的处理能力。

单个生产者与单个消费者

   如果一个共享队列只与一个生产者与一个消费者共享，那么此队列可以这么设计：

   在共享内存中， 分别维护 front 指针，rear 指针和循环队列，其中 front 指针指向队列头部，其值由生产者维护；rear 指针指向队列尾部，其值由消费者维护；循环队列是一个大数组。注意，front, rear 存储的是数据的下标而已，且队列最后一个空间不可用，后者是为了方便作 full 判断。

   所以，当 front==rear 的时候，队列为空：

   当 (front+1)%MAX_QUEUE_SIZE==rear 的时候，队列满了：

   获取循环队列大小的时候，需要注意 front<rear 的情况：

queue_size = (front-rear)<0 ? (front+MAX_QUEUE_SIZE-rear) : front-rear

   此时，最简单的无锁共享队列即完成了。为，front, rear 指针分别由单个生产者和单个消费者维护(修改)，这里不存在覆盖写等问题。后台进程可定期检测队列是否为空，非空的时候执行消费操作即可。经过讨论，项目中采用是这种数据结构并更新了系统设计方案(逻辑层和存储层分离)，CPU 降低了 10%~

单个生产者与多个消费者

背景

   多个进程共同维护一份数据的时候，非常容易出问题，譬如最常见的是丢失修改问题。要保证更新这些指针的时候是原子操作，才可以避规避这些情况，linux 下最常见的即是加锁。

   在我们的项目中，生产者经过优化后能力超过了后端消费能力，于是想到增加消费者，但上面的“单个生产者与单个消费者”中描述的数据结构不能满足要求。在介绍解决方法之前，要介绍一下 CAS 操作。

CAS 简介

   如何保证原子操作？简单加减运算的原子性能通过 CPU 提供的 CAS 原子操作 CMPXCHG 指令来保证。CAS 即 Compare & Set，或者 Compare & Swap，这有点类似于乐观锁。即在正在的修改操作之前，先读取旧的值 old，在修改完成之后，再一次读取旧值是否更改，如果更改则再尝试，直到修改成功为止。

   c 语言描述可以写成：

bool CAS(type *accum, type *dest, int newval)
{
  if ( *accum == *dest ) {
      *dest = newval;
      return true;
  }
  return false;
}

   CAS 操作帮忙解决了多进程维护一份数据的同步问题。

具体实现

   具体实现需要在“单个生产者与单个消费者”中描述的方法上，稍微修改一下。入队操作都是一样的，只有一个生产者，维护 front 值。出队操作稍有不同。

   先保存旧的 rear ->old_rear，接着拷贝数据，

   CAS(&rear, old_rear, rear+1)，如果用数组模拟环形数组，考虑越界的情况，

   不成功，重新开始。

多个生产者与多个消费者

   这种情况下，要考虑多个生产者之间 push 操作同步的问题。

   我们设置三个值：front, rear, write_index. 前两个值和上面描述的一样，分别是队列头部和尾部，write_index 的作用是为生产者在 push 的时候预留空间，在无 push 操作的时候，write_index==front。

   在入队的时候，保存旧的 write_index -> old_write_index，接着 CAS(&write_index, old_write_index, old_write_index+1).

   接着将数据写到对应的位置上，

   最后 CAS(&front, old_write_index, old_write_index+1)，直到 CAS 成功为止。

   在网络上的资料中，还在这最后一步不成功的情况下添了点花：不成功的时候，调用 sched_yield(); 主要目的是让该生产者主动让出 cpu 给其他的生产者，因为可能其他生产者正在执行 push 操作，这样它就可以完成 push 操作了。确实，这在处理器数量少于生产者数量的时候，对性能来说是比较关键的。

   这里涉及两个 CAS 操作。如果有两个进程同时 push，A 先执行 push，但结果 B 先完成 push 操作，结果是 A push 操作不成功，但它会继续尝试 push 直到成功为止。

   出队的操作和“单个生产者与多个消费者”中描述的方法一样。在现有的项目中，较少遇到“多个生产者与多个消费者”的场景，这样复杂的情况，可能还不如开多个队列，让不同的生产者去 push 不同的队列，以简化问题。

   推荐看《参考》中的资料。另外，上面的无锁消息队列都是基于线性数组的，还有一种是基于链表的做法，这里有一份实现代码，推荐看：https://github.com/haipome/lock_free_queue

   参考：

   http://www.codeproject.com/Articles/153898/Yet-another-implementation-of-a-lock-free-circular

   http://coolshell.cn/articles/8239.html

   http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.53.8674&rep=rep1&type=pdf

建议继续学习：

1. 一种高效无锁内存队列的实现    (阅读：10795)
2. 多线程队列的算法优化    (阅读：6498)
3. TSQ 的原理    (阅读：5932)
4. 并发编程系列之一：锁的意义    (阅读：5873)
5. 无锁HashMap的原理与实现    (阅读：5325)
6. 各消息队列软件产品大比拼    (阅读：5136)
7. Gearman Server 使用 MySQL UDFs 来管理和保持队列    (阅读：4856)
8. MySQL锁管理(并发锁,行锁,表锁,预加锁,全局锁等等)    (阅读：4482)
9. DYNAMO平台的独门绝技： 利用NWR模型与vector clock解决锁问题    (阅读：3904)
10. 并行编程中的“锁”难题    (阅读：3740)