C /C++ -无锁(或非阻塞)环形缓冲区，覆盖最旧的数据？

Question

我正在试图找到一种方法，使锁自由或非阻塞的方式，使一个单一的消费者/单一消费者的环形缓冲区，将覆盖缓冲区中最旧的数据。我读过很多无锁算法，它们在缓冲区已满时“返回false”时有效--也就是说，不要添加；但我甚至找不到伪代码来讨论如何在需要覆盖最旧的数据时这样做。

我使用的是GCC 4.1.2 (工作限制，无法升级版本...)我有Boost库，在过去我做了我自己的Atomic< T>变量类型，它非常符合升级规范(它不是完美的，但它是线程安全的，并且做了我需要的事情)。

当我想到这一点时，我认为使用这些原子应该能真正解决这个问题。一些关于我的想法的粗略的伪代码：

template< typename T , unsigned int Size>
class RingBuffer {
private:
Atomic<unsigned int> readIndex;
Atomic<unsigned int> writeIndex;
enum Capacity { size = Size };
T* buf;

unsigned int getNextIndex(unsigned int i)
{
 return (i + 1 ) % size;
}

public:
RingBuffer() { //create array of size, set readIndex = writeIndex = 0 }
~RingBuffer() { //delete data }
void produce(const T& t)
{
 if(writeIndex == getNextIndex(readIndex)) //1
 {
  readIndex = getNextIndex(readIndex); //2
  }
  buf[writeIndex] = t;
  writeIndex = getNextIndex(writeIndex);  //3
}

bool consume(T& t)
{
  if(readIndex == writeIndex)  //4
   return false;
  t = buf[readIndex];  
  readIndex = getNexIndex(readIndex);  //5
  return true;
}

};

据我所知，这里没有死锁的情况，所以我们是安全的(如果我上面的实现是错误的，即使是在伪代码级别，建设性的批评总是值得感谢的)。然而，我能找到的最大的竞态条件是：

让我们假设缓冲区已满。也就是说，writeIndex +1 = readIndex；(1)在调用时发生。和为true (4)为false，因此我们移动到从缓冲区读取(5)发生，并且readIndex超前1(因此，实际上，在缓冲区(2)中有空间发生，再次超前readIndex，从而丢失该值。

基本上，这是一个典型的问题，写入者必须修改读取器，从而导致竞争条件。如果不在每次访问整个列表时阻塞整个列表，我想不出一种方法来防止这种情况发生。我遗漏了什么？?

Answer 1

1. 从单个生产者/多个消费者队列开始，并提供适当的进度保证。
2. 如果队列已满且推送失败，则弹出一个值。然后将有空间来推动新值。

Answer 2

我错过了什么？？

Lots：

• 说你消费了一个t，而它正在被生产者覆盖--你是如何检测/处理它的？
  • 有很多选项--例如，do {复制值；使用修改序列num检查拷贝的完整性等等。

​

使用原子数的屏障是不够的-您还需要使用CAS式循环来影响索引增量(尽管我假设您知道这一点，因为您已经阅读了大量关于already)

• memory

的文章

但是，让我们将其写为低于您的伪代码级别，并考虑您明确的问题：

• 点(5)实际上需要CAS操作。如果readIndex在consume()之上被正确采样/复制-在复制(可能损坏的) t之前-那么如果生产者已经递增了CAS指令，那么它将失败。而不是通常的重新采样和重试CAS，只需继续。

Answer 3

这是我最近创建的关于原子变量的循环缓冲区代码。我已经将其修改为“覆盖”数据，而不是返回false。免责声明-它还没有经过生产级测试。

    template<int capacity, int gap, typename T> class nonblockigcircular {
  /*
   * capacity - size of cicular buffer
   * gap - minimum safety distance between head and tail to start insertion operation
   *       generally gap should exceed number of threads attempting insertion concurrently 
   *       capacity should be gap plus desired buffer size 
   * T   - is a data type for buffer to keep
   */
  volatile T buf[capacity];  // buffer

  std::atomic<int> t, h, ph, wh; 
  /* t to h data available for reading
   * h to ph - zone where data is likely written but h is not updated yet
   *   to make sure data is written check if ph==wh 
   * ph to wh - zone where data changes in progress 
   */

  bool pop(T &pwk) {
    int td, tnd;

    do {
      int hd=h.load()%capacity;
      td=t.load()%capacity;
      if(hd==td) return false;
      tnd=(td+1)%capacity;
    } while(!t.compare_exchange_weak(td, tnd));

    pwk=buf[td];
    return true;
  }


  const int  count() {
    return ( h.load()+capacity-t.load() ) % capacity;
    }

  bool push(const T &pwk) {
    const int tt=t.load();
    int hd=h.load();

    if(  capacity - (hd+capacity-tt) % capacity < gap) {
       // Buffer is too full to insert
       // return false; 
       // or delete last record as below
       int nt=t.fetch_add(1);
       if(nt==capacity-1) t.fetch_sub(capacity);
       }


    int nwh=wh.fetch_add(1);
    if(nwh==capacity-1) wh.fetch_sub(capacity);

    buf[nwh%capacity]=pwk;

    int nph=ph.fetch_add(1);
    if(nph==capacity-1) ph.fetch_sub(capacity);

    if(nwh==nph) {
      int ohd=hd;
      while(! h.compare_exchange_weak(hd, nwh) ) {
        hd=h.load();
        if( (ohd+capacity-hd) % capacity > (ohd+capacity-nwh) % capacity ) break;
      }
    }
    return true;
  }

};