C++ 并发编程指南 实现无锁队列

CHANG_THE_WORLD2025-09-07 13:11

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环形队列

我们要实现无锁并发，经常会用到一种结构无锁队列，而无锁队列和我们经常使用的队列颇有不同，它采用的是环状的队列结构，为什么成环呢？主要有两个好处，一个是成环的队列大小是固定的，另外一个我们通过移动头和尾就能实现数据的插入和取出。

我们看下图是一个环形队列的基本结构

图1表示队列为空的时候，头节点和尾节点交会在一起，指向同一个扇区。

图2表示当我们你插入一个数字1后，队列大小为1，此时tail指针移动到下一个扇区，head指向头部，1被存储在头部了。

图3表示当我们将数字1出队后，head指针向后移动一个扇区，此时head和tail指向同一个扇区，表示队列又为空了。那有人会问队列中数字1为什么不清空呢？其实不用清空，因为当我们插入新数据时就可以覆盖掉1这个无效的数据。

比如我们继续3图，连续插入几个数字，将队列填满。

​​无锁队列：旋转寿司店的智慧​​

想象一下一家旋转寿司店：

  1. ​环形传送带（队列）​：寿司在环形传送带上移动。
  2. ​厨师（生产者）​ ：在传送带尾部放入新做好的寿司（push）。
  3. ​顾客（消费者）​ ：在传送带头部取走寿司（pop）。
  4. ​空盘信号​ ：当传送带上全是空盘时（head == tail），顾客知道没寿司了。
  5. ​满盘信号​ ：当传送带的下一个位置就是头部时（(tail + 1) % size == head），厨师知道没位置放新寿司了。

​​问题：​​ 如果厨师和顾客很多（多线程），如何避免他们争抢位置时发生混乱（数据竞争）？

​​传统方案：锁（慢但安全）​​

就像给传送带入口和出口各装一扇门（mutex），厨师或顾客要操作时，必须关门（加锁），操作完再开门（解锁）。虽然安全，但效率低（排队等待）。

​

​无锁方案：原子标签（高效协作）​​

我们给传送带装上智能标签系统（原子变量）：

  1. ​_head标签​：指向顾客下一个该取的盘子位置。
  2. ​_tail标签​：指向厨师下一个该放寿司的盘子位置。
  3. ​_tail_update标签​ ：指向​已完成​放置的最后一个盘子位置（解决"寿司还没放好就被拿"的问题）。

​​无锁队列核心代码实现 (C++11)​​

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <memory>
#include <thread>
#include <vector>

// 示例数据类
class SushiPlate {
public:
    int id;
    SushiPlate(int id = -1) : id(id) {}
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const SushiPlate& plate) {
        os << "🍣 Plate #" << plate.id;
        return os;
    }
};

template<typename T, size_t Cap>
class LockFreeCircularQueue {
private:
    static constexpr size_t _max_size = Cap + 1; // 实际容量+1 (区分空和满)
    T* _data;                                    // 存储数据的数组 (传送带)
    std::atomic<size_t> _head{0};                // 消费者取餐点 (原子标签)
    std::atomic<size_t> _tail{0};                // 生产者放餐点 (原子标签)
    std::atomic<size_t> _tail_update{0};          // 生产者完成放置点 (原子标签)

    // 内存管理辅助 (分配和释放数组)
    struct AllocHelper : public std::allocator<T> {
        T* allocate(size_t n) { return std::allocator<T>::allocate(n); }
        void deallocate(T* p, size_t n) { std::allocator<T>::deallocate(p, n); }
    } _alloc;

public:
    // 构造函数：分配"传送带"
    LockFreeCircularQueue() : _data(_alloc.allocate(_max_size)) {}
    // 禁用拷贝 (多线程环境下拷贝无意义且危险)
    LockFreeCircularQueue(const LockFreeCircularQueue&) = delete;
    LockFreeCircularQueue& operator=(const LockFreeCircularQueue&) = delete;
    // 析构函数：清理"传送带"
    ~LockFreeCircularQueue() {
        // 简单处理：假设队列已空。生产环境需更严谨。
        _alloc.deallocate(_data, _max_size);
    }

    // 厨师放寿司 (Push)
    bool push(const T& plate) {
        size_t current_tail;
        // 步骤1: 申请一个空盘子位置
        do {
            current_tail = _tail.load(std::memory_order_relaxed); // 放松读：位置不重要
            // 检查传送带是否已满 (下一个位置就是头)
            if ((current_tail + 1) % _max_size ==
                _head.load(std::memory_order_acquire)) { // 获取读：确保看到最新的_head
                // std::cout << "Queue full! Can't add plate #" << plate.id << std::endl;
                return false;
            }
            // 尝试将_tail标签推进到下一个位置 (CAS: 比较并交换)
        } while (!_tail.compare_exchange_strong(
            current_tail, (current_tail + 1) % _max_size,
            std::memory_order_release,    // 成功时：释放屏障 (保证下面的写操作不会被重排到上面)
            std::memory_order_relaxed)); // 失败时：放松 (继续尝试)

        // 步骤2: 安全地将寿司放到申请到的盘子上
        _data[current_tail] = plate; // 写入数据

        // 步骤3: 更新完成标签_tail_update (告诉顾客这个位置的寿司已放好)
        size_t expected_update = current_tail;
        while (!_tail_update.compare_exchange_strong(
            expected_update, (expected_update + 1) % _max_size,
            std::memory_order_release,    // 成功时：释放屏障 (保证_data写入先于_tail_update更新)
            std::memory_order_relaxed)) { // 失败时：放松 (继续尝试)
            expected_update = current_tail; // 重置期望值 (其他线程可能修改了_tail_update)
        }

        // std::cout << "Chef placed: " << plate << " at position " << current_tail << std::endl;
        return true;
    }

    // 顾客取寿司 (Pop)
    bool pop(T& plate) {
        size_t current_head;
        do {
            current_head = _head.load(std::memory_order_relaxed); // 放松读：位置不重要
            // 检查传送带是否为空 (头尾相遇)
            if (current_head == _tail.load(std::memory_order_acquire)) { // 获取读：确保看到最新的_tail
                // std::cout << "Queue empty! Nothing to take." << std::endl;
                return false;
            }
            // 检查目标位置的寿司是否真的放好了 (避免厨师还在摆盘)
            if (current_head == _tail_update.load(std::memory_order_acquire)) { // 获取读：确保看到最新的_tail_update
                return false; // 这个位置的寿司还没摆好，稍后再试
            }
            // 步骤1: 取出寿司 (注意：用拷贝，不能移动！其他顾客可能还在看这个位置)
            plate = _data[current_head]; // 读取数据
            // 步骤2: 尝试将_head标签推进到下一个位置 (CAS)
        } while (!_head.compare_exchange_strong(
            current_head, (current_head + 1) % _max_size,
            std::memory_order_release,    // 成功时：释放屏障 (保证plate读取先于_head更新)
            std::memory_order_relaxed)); // 失败时：放松 (继续尝试)

        // std::cout << "Customer took: " << plate << " from position " << current_head << std::endl;
        return true;
    }
};

// 测试函数：模拟厨师和顾客
void testLockFreeQueue() {
    const size_t capacity = 5; // 传送带容量 (实际可放4盘寿司)
    LockFreeCircularQueue<SushiPlate, capacity> sushiBelt;

    // 厨师线程 (生产者)
    auto chef = [&sushiBelt]() {
        for (int i = 1; i <= 10; ++i) { // 尝试做10盘寿司
            SushiPlate plate(i);
            while (!sushiBelt.push(plate)) {
                // 传送带满了，厨师休息一下
                std::this_thread::yield();
            }
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50)); // 模拟做寿司时间
        }
    };

    // 顾客线程 (消费者)
    auto customer = [&sushiBelt]() {
        SushiPlate plate;
        for (int i = 0; i < 5; ++i) { // 尝试吃5盘寿司
            while (!sushiBelt.pop(plate)) {
                // 传送带空了或想吃的还没摆好，顾客等待
                std::this_thread::yield();
            }
            std::cout << "Eaten: " << plate << std::endl;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 模拟吃寿司时间
        }
    };

    // 启动1个厨师和2个顾客
    std::thread chefThread(chef);
    std::thread customerThread1(customer);
    std::thread customerThread2(customer);

    chefThread.join();
    customerThread1.join();
    customerThread2.join();

    std::cout << "All sushi served and eaten!" << std::endl;
}

int main() {
    testLockFreeQueue();
    return 0;
}

​​关键点解释 (结合寿司店例子):​​

  1. ​​push 流程 (厨师放寿司):​​

    • ​申请空位:​ 厨师查看_tail找到下一个空盘位置。如果发现下个位置就是_head(传送带满)，等待。
    • ​移动_tail标签:​ 厨师用CAS操作把_tail标签贴到下一个空位 (原子操作，防止多个厨师抢同一个位置)。
    • ​放寿司:​ 厨师把寿司放到刚刚申请到的盘子上 (_data[current_tail] = plate)。
    • ​更新完成标签:​ 厨师把_tail_update标签移动到当前盘子位置，告诉顾客"这盘可以吃了"。

  2. ​​pop 流程 (顾客取寿司):​​

    • ​查看位置:​ 顾客查看_head位置。如果_head == _tail(传送带空)，等待。
    • ​检查是否就绪:​ 顾客检查_head位置的盘子，其位置是否小于_tail_update(寿司是否摆好)。如果没摆好 (_head == _tail_update)，等待。
    • ​取寿司:​ 顾客从_head位置端走寿司 (plate = _data[current_head])。(拷贝，不能移动！其他顾客可能还在看这个位置)。
    • ​移动_head标签:​ 顾客用CAS操作把_head标签贴到下一个有寿司的位置。

  3. ​​内存顺序 (memory_order):​​

    • ​acquire (获取):​ 顾客在读取_tail和_tail_update时用acquire。这确保顾客能看到厨师在这些标签​之前​ 对_data的写入（即看到最新做好的寿司）。
    • ​release (释放):​ 厨师在更新_tail和_tail_update时用release。这确保厨师对_data的写入（放寿司）​一定完成​ 在这些标签更新​之前​（顾客看到标签更新时，寿司肯定已放好）。
    • ​relaxed (放松):​ 用于非关键操作（如读取当前_head/_tail尝试值），允许编译器/CPU优化，提高性能。

  4. ​​CAS (Compare-And-Swap):​​

    • 这是无锁并发的基石。它原子性地检查标签值是否还是我上次看到的 (expected)，如果是，就更新为新值 (desired)。如果不是（被其他线程改了），就告诉我失败，我重试。
    • 这避免了使用锁，厨师和顾客可以同时操作（只要他们操作的是传送带上不同的位置）。

​​优势:​​

  • ​高并发:​ 多个厨师和顾客可以同时操作传送带的不同部分，效率远高于锁。
  • ​无阻塞:​ 一个线程操作失败（CAS失败）不会阻塞，它会立即重试或做其他事，避免死锁。

​​注意事项 (寿司店的局限):​​

  • ​适合小数据:​ 就像寿司店适合放小份寿司，这个队列最适合存放int, 指针等小数据。如果存放大对象（如满汉全席），pop时的拷贝 (plate = _data[current_head]) 开销很大，且多个顾客竞争时失败的拷贝操作是浪费。
  • ​容量固定:​ 传送带大小是固定的。
  • ​ABA问题:​ 这个简单实现没有处理极端情况下的ABA问题（对于基本类型或指针通常没问题）。更复杂的场景需要版本号或double-word CAS。

​​总结:​​

这个无锁队列就像一家高效的旋转寿司店，厨师和顾客通过智能标签 (_head, _tail, _tail_update) 和原子操作 (CAS) 协同工作，无需排队等待锁 (mutex)，大大提升了并发处理能力。核心在于精细的标签管理和内存顺序保证，确保数据在并发读写时的正确性。

另一个详细点的说明

从零开始理解无锁并发队列：像旋转餐桌一样高效存取数据

现实生活中的环形队列：旋转餐桌

想象一下餐厅里的旋转餐桌，厨师将菜品放在转盘上，客人从转盘上取用菜品。这个转盘有固定数量的位置，厨师在一个位置放菜，客人在另一个位置取菜，两者互不干扰。这就是环形队列的现实例子。

当转盘空的时候，厨师和客人的位置标记会重合；当转盘满的时候，厨师需要等待客人取走菜品才能继续放新菜。这种设计既高效又自然，避免了厨师和客人之间的直接冲突。

有锁的实现：需要餐厅经理协调

在多线程环境中，如果我们使用传统的锁机制来实现这个"旋转餐桌"，就好比聘请了一位餐厅经理。每次厨师要放菜或客人要取菜时，都需要先获得经理的许可。

cpp 复制代码 
// 简化的有锁队列核心代码
bool push(const T& val) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(_mtx); // 获取经理许可
    if (队列已满) return false;            // 经理检查转盘是否已满
    // 在指定位置放置菜品
    _data[_tail] = val;
    _tail = (_tail + 1) % _max_size;       // 移动尾部标记
    return true;
}

这种方式虽然安全，但效率不高------每个操作都需要经理协调，即使厨师和客人操作的是转盘的不同部分。

无锁的实现：厨师和客人自主协调

无锁并发就像去掉餐厅经理，让厨师和客人自主协调。他们通过观察转盘上的标记来决定何时可以操作，无需等待中央协调员。

基础无锁实现：单一的协调标记

最初的想法是使用一个原子标记来表示转盘是否正在被使用：

cpp 复制代码 
template<typename T, size_t Cap>
class CircularQueSeq {
    // ... 其他成员
    std::atomic<bool> _atomic_using; // 标记转盘是否正在使用
    
    bool emplace(Args&&... args) {
        bool use_expected = false, use_desired = true;
        // 循环尝试获取使用权
        do {
            use_expected = false;
            use_desired = true;
        } while (!_atomic_using.compare_exchange_strong(use_expected, use_desired));
        
        // 实际操作...
        
        // 释放使用权
        do {
            use_expected = true;
            use_desired = false;
        } while (!_atomic_using.compare_exchange_strong(use_expected, use_desired));
        return true;
    }
};

这种方法虽然实现了无锁，但仍然像有一个隐形的经理------同一时间只能有一个厨师或客人操作转盘。

改进的无锁实现：独立的头和尾标记

更高效的方法是让厨师和客人有各自的标记，他们只需要关注自己需要操作的位置：

cpp 复制代码 
template<typename T, size_t Cap>
class CircularQueLight {
    // ... 其他成员
    std::atomic<size_t> _head; // 客人取菜位置
    std::atomic<size_t> _tail; // 厨师放菜位置
    
    bool push(const T& val) {
        size_t t;
        do {
            t = _tail.load();           // 查看当前放菜位置
            if (转盘已满) return false; // 检查是否还有空位
        } while (!_tail.compare_exchange_strong(t, (t + 1) % _max_size));
        
        _data[t] = val; // 放置菜品
        return true;
    }
    
    bool pop(T& val) {
        size_t h;
        do {
            h = _head.load();            // 查看当前取菜位置
            if (转盘为空) return false;  // 检查是否有菜品可取
            val = _data[h];              // 取走菜品
        } while (!_head.compare_exchange_strong(h, (h + 1) % _max_size));
        return true;
    }
};

这种方法更加高效，因为多个厨师可以同时在不同位置放菜，多个客人也可以同时在不同位置取菜。

处理极端情况：确保数据完整性

但上面的简单实现有一个问题：当厨师刚移动了尾部标记但还没放好菜时，客人可能已经来取菜了。这就像厨师刚标记了一个位置要放菜，但菜还没放到转盘上，客人就试图从这个位置取菜。

为了解决这个问题，我们引入第三个标记_tail_update，表示菜品已实际放置完成的位置：

cpp 复制代码 
template<typename T, size_t Cap>
class CircularQueLight {
    // ... 其他成员
    std::atomic<size_t> _head;         // 客人取菜位置
    std::atomic<size_t> _tail;         // 厨师计划放菜位置
    std::atomic<size_t> _tail_update;  // 菜品实际已放好的位置
    
    bool push(const T& val) {
        size_t t;
        do {
            t = _tail.load();
            if (转盘已满) return false;
        } while (!_tail.compare_exchange_strong(t, (t + 1) % _max_size));
        
        _data[t] = val; // 放置菜品
        
        // 更新实际已放好菜品的位置
        size_t tailup;
        do {
            tailup = t;
        } while (_tail_update.compare_exchange_strong(tailup, (tailup + 1) % _max_size));
        
        return true;
    }
    
    bool pop(T& val) {
        size_t h;
        do {
            h = _head.load();
            if (转盘为空) return false;
            // 检查想要取菜的位置是否已实际放好菜品
            if (h == _tail_update.load()) return false;
            val = _data[h];
        } while (!_head.compare_exchange_strong(h, (h + 1) % _max_size));
        return true;
    }
};

这样，只有当菜品实际放好后，客人才会取走它，保证了数据的完整性。

性能优化：精细控制内存访问顺序

最后，我们可以通过精细控制内存访问顺序来进一步提升性能。默认的内存顺序保证过于严格，我们可以根据实际需要放松一些要求：

cpp 复制代码 
bool push(const T& val) {
    size_t t;
    do {
        t = _tail.load(std::memory_order_relaxed); //  relaxed 顺序，性能更高
        if ((t + 1) % _max_size == _head.load(std::memory_order_acquire)) // 需要acquire顺序
            return false;
    } while (!_tail.compare_exchange_strong(t, (t + 1) % _max_size, 
             std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
    
    _data[t] = val;
    
    size_t tailup;
    do {
        tailup = t;
    } while (_tail_update.compare_exchange_strong(tailup, (tailup + 1) % _max_size,
             std::memory_order_release, std::memory_order_relaxed));
    
    return true;
}

这种优化相当于告诉处理器：哪些操作需要严格顺序，哪些可以放松要求，从而提升整体性能。

总结

无锁并发队列就像高效的旋转餐桌：

  • 有锁实现需要中央经理协调所有操作
  • 基础无锁实现去掉了经理，但仍有隐形的协调员
  • 改进无锁实现让厨师和客人自主协调，效率更高
  • 完整无锁实现通过额外标记保证数据完整性
  • 性能优化通过精细控制内存顺序进一步提升效率

无锁编程的优势在于高并发场景下的性能表现，但它更适合存储简单的数据类型。对于复杂的对象，拷贝开销可能会抵消无锁带来的性能优势。

这种设计模式广泛应用于高性能计算、游戏服务器、金融交易系统等对并发性能要求极高的领域。

无锁并发队列：旋转餐桌的高效协作

下面我将使用现实生活中旋转餐桌的例子，实现一个完整的无锁并发队列。

现实生活类比

想象一个旋转餐桌：

  • 厨师（生产者线程）在餐桌的一侧放置菜品
  • 客人（消费者线程）在餐桌的另一侧取用菜品
  • 餐桌标记（原子变量）指示下一个放置/取用的位置
  • 菜品放置完成标记（额外原子变量）确保客人不会取到还未放好的菜品

完整实现代码

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <memory>
#include <thread>
#include <vector>

// 简单的数据类，代表餐桌上的菜品
class Dish {
public:
    Dish() : id(0), name("Empty") {}
    Dish(int id, const std::string& name) : id(id), name(name) {}
    
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Dish& dish) {
        os << "Dish #" << dish.id << " (" << dish.name << ")";
        return os;
    }
    
private:
    int id;
    std::string name;
};

// 无锁环形队列（旋转餐桌）
template<typename T, size_t Capacity>
class LockFreeCircularQueue {
public:
    LockFreeCircularQueue() : 
        max_size(Capacity + 1), 
        data(std::make_unique<T[]>(max_size)),
        head(0), 
        tail(0),
        tail_update(0) {}
    
    // 禁止拷贝
    LockFreeCircularQueue(const LockFreeCircularQueue&) = delete;
    LockFreeCircularQueue& operator=(const LockFreeCircularQueue&) = delete;
    
    // 放置菜品（生产者）
    bool push(const T& dish) {
        size_t current_tail;
        
        // 循环尝试获取放置位置
        do {
            current_tail = tail.load(std::memory_order_relaxed);
            
            // 检查餐桌是否已满
            if ((current_tail + 1) % max_size == head.load(std::memory_order_acquire)) {
                std::cout << "Table is full! Can't place more dishes.\n";
                return false;
            }
            
        // 尝试移动尾部标记，如果失败则重试（其他厨师可能抢先了一步）
        } while (!tail.compare_exchange_weak(
            current_tail, 
            (current_tail + 1) % max_size,
            std::memory_order_release,
            std::memory_order_relaxed));
        
        // 在实际位置放置菜品
        data[current_tail] = dish;
        std::cout << "Placed " << dish << " at position " << current_tail << "\n";
        
        // 更新菜品放置完成标记
        size_t current_tail_update = current_tail;
        while (!tail_update.compare_exchange_weak(
            current_tail_update,
            (current_tail_update + 1) % max_size,
            std::memory_order_release,
            std::memory_order_relaxed)) {
            // 如果更新失败，重试（其他厨师可能也在更新）
            current_tail_update = tail_update.load(std::memory_order_relaxed);
        }
        
        return true;
    }
    
    // 取用菜品（消费者）
    bool pop(T& dish) {
        size_t current_head;
        
        // 循环尝试获取取用位置
        do {
            current_head = head.load(std::memory_order_relaxed);
            
            // 检查餐桌是否为空
            if (current_head == tail_update.load(std::memory_order_acquire)) {
                std::cout << "Table is empty! No dishes to take.\n";
                return false;
            }
            
            // 检查菜品是否已实际放置好
            if (current_head == tail_update.load(std::memory_order_acquire)) {
                return false;
            }
            
            // 获取当前菜品
            dish = data[current_head];
            
        // 尝试移动头部标记，如果失败则重试（其他客人可能抢先了一步）
        } while (!head.compare_exchange_weak(
            current_head,
            (current_head + 1) % max_size,
            std::memory_order_release,
            std::memory_order_relaxed));
        
        std::cout << "Took " << dish << " from position " << current_head << "\n";
        return true;
    }
    
    // 查看餐桌状态
    void print_status() const {
        std::cout << "Table status: Head=" << head.load() 
                  << ", Tail=" << tail.load() 
                  << ", TailUpdate=" << tail_update.load() 
                  << ", Capacity=" << Capacity << "\n";
    }
    
private:
    const size_t max_size;
    std::unique_ptr<T[]> data;
    
    // 原子变量：标记下一个放置/取用的位置
    alignas(64) std::atomic<size_t> head;  // 客人取菜位置
    alignas(64) std::atomic<size_t> tail;  // 厨师计划放菜位置
    alignas(64) std::atomic<size_t> tail_update;  // 菜品实际已放好的位置
};

// 厨师线程函数（生产者）
void chef_thread(LockFreeCircularQueue<Dish, 5>& table, int chef_id) {
    std::vector<Dish> specials = {
        Dish(1, "Spring Rolls"),
        Dish(2, "Kung Pao Chicken"),
        Dish(3, "Sweet and Sour Pork"),
        Dish(4, "Mapo Tofu"),
        Dish(5, "Peking Duck"),
        Dish(6, "Dim Sum"),
        Dish(7, "Fried Rice"),
        Dish(8, "Wonton Soup")
    };
    
    for (const auto& dish : specials) {
        // 随机延迟，模拟准备时间
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100 + rand() % 200));
        
        if (table.push(dish)) {
            std::cout << "Chef " << chef_id << " successfully placed " << dish << "\n";
        } else {
            std::cout << "Chef " << chef_id << " failed to place " << dish << "\n";
        }
        
        // 偶尔查看餐桌状态
        if (rand() % 4 == 0) {
            table.print_status();
        }
    }
}

// 客人线程函数（消费者）
void guest_thread(LockFreeCircularQueue<Dish, 5>& table, int guest_id) {
    Dish dish;
    
    for (int i = 0; i < 6; ++i) {
        // 随机延迟，模拟用餐时间
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(150 + rand() % 300));
        
        if (table.pop(dish)) {
            std::cout << "Guest " << guest_id << " is enjoying " << dish << "\n";
        } else {
            std::cout << "Guest " << guest_id << " found no dish to take\n";
        }
        
        // 偶尔查看餐桌状态
        if (rand() % 5 == 0) {
            table.print_status();
        }
    }
}

int main() {
    std::cout << "=== Restaurant Table Simulation ===\n";
    std::cout << "A circular table with 5 seats, 2 chefs and 3 guests\n\n";
    
    LockFreeCircularQueue<Dish, 5> table;
    
    // 创建厨师和客人线程
    std::vector<std::thread> threads;
    
    // 2个厨师线程
    for (int i = 1; i <= 2; ++i) {
        threads.emplace_back(chef_thread, std::ref(table), i);
    }
    
    // 3个客人线程
    for (int i = 1; i <= 3; ++i) {
        threads.emplace_back(guest_thread, std::ref(table), i);
    }
    
    // 等待所有线程完成
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }
    
    std::cout << "\n=== Simulation ended ===\n";
    table.print_status();
    
    return 0;
}

代码说明

1. Dish类 - 代表餐桌上的菜品

  • 每个菜品有ID和名称
  • 简单易懂的输出操作符

2. LockFreeCircularQueue类 - 无锁环形队列（旋转餐桌）

  • push方法：厨师放置菜品

    • 获取下一个可用位置
    • 检查餐桌是否已满
    • 放置菜品并更新标记

  • pop方法：客人取用菜品

    • 获取下一个可取用的位置
    • 检查餐桌是否为空
    • 确保菜品已实际放置好
    • 取用菜品并更新标记

  • 内存顺序优化

    • memory_order_relaxed：用于不需要严格同步的操作
    • memory_order_acquire/release：确保关键操作的可见性和顺序性

3. 多线程模拟

  • 厨师线程：不断准备并放置菜品
  • 客人线程：不断取用并享用菜品
  • 随机延迟：模拟真实世界中的不确定时间

运行示例

运行此程序，你会看到类似以下输出：

c 复制代码 
=== Restaurant Table Simulation ===
A circular table with 5 seats, 2 chefs and 3 guests

Placed Dish #1 (Spring Rolls) at position 0
Chef 1 successfully placed Dish #1 (Spring Rolls)
Took Dish #1 (Spring Rolls) from position 0
Guest 1 is enjoying Dish #1 (Spring Rolls)
Placed Dish #2 (Kung Pao Chicken) at position 1
Chef 2 successfully placed Dish #2 (Kung Pao Chicken)
Table status: Head=1, Tail=2, TailUpdate=2, Capacity=5
...

这个实现展示了多个厨师和客人如何高效协作，无需显式锁机制，就像现实生活中的旋转餐桌一样自然流畅。

关键优势

  1. 高并发性能：多个生产者和消费者可以同时操作
  2. 无锁设计：避免了锁竞争带来的性能瓶颈
  3. 内存顺序优化：精细控制内存访问，提升性能
  4. 线程安全：通过原子操作和适当的内存屏障保证数据一致性

这种无锁队列设计非常适合高性能服务器、实时系统和其他需要高并发处理的场景。

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