具有两个线程的c++11无锁队列

Question

除了主线程之外，我还有一个线程接收数据，以便将它们写入文件中。

std::queue<std::vector<int>> dataQueue;
std::mutex mutex;

void setData(const std::vector<int>& data) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    dataQueue.push(data);
}

void write(const std::string& fileName) {
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

        while (!dataQueue.empty()) {
            std::vector<int>& data= dataQueue.front();

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            }
        }
    }
}

主线程使用setData，而write实际上是写线程。我使用std::lock_quard来避免内存冲突，但是当锁定写入线程时，它会减缓主线程的速度，因为它必须等待队列被解锁。但我想我可以避免这种情况，因为线程从来不会同时对队列的相同元素进行操作。

因此，我想做它无锁，但我真的不明白我应该如何实现。我是说，我怎么能不锁任何东西就这么做呢？此外，如果写入线程比主线程快，队列可能大部分时间都是空的，因此它应该以某种方式等待新数据，而不是无限循环以检查非空队列。

编辑：我通过std::cond_variable更改了简单的std::lock_guard，以便在队列为空时等待。但是主线程仍然可以被阻塞，因为当cvQeue.wait(.)被解析时，它会重新获得锁。此外，如果主线程执行cvQueue.notify_one()，但写入线程没有等待，怎么办？

std::queue<std::vector<int>> dataQueue;
std::mutex mutex;
std::condition_variable cvQueue;

void setData(const std::vector<int>& data) {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
    dataQueue.push(data);
    cvQueue.notify_one();
}

void write(const std::string& fileName) {
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

        while (!dataQueue.empty()) {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
            cvQueue.wait(lock);

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            }
        }
    }
}

Answer 1

如果您只有两个线程，那么您可以使用一个没有锁的单生产者-单一消费者(SPSC)队列。

在这里可以找到一个有界的版本：https://github.com/rigtor/SPSCQueue

Dmitry在这里提供了一个无界版本：http://www.1024cores.net/home/lock-free-algorithms/queues/unbounded-spsc-queue (您应该注意，这段代码应该适合使用atomics)。

关于阻塞pop操作--这是没有锁的数据结构所不能提供的，因为这样的操作显然不是无锁的。但是，如果队列在推送前为空，则应该以这样的方式调整链接实现，即推送操作通知条件变量。

Answer 2

我想我有些东西能满足我的需要。我做了一个使用LockFreeQueue的std::atomic。因此，我可以原子地管理队列的头/尾状态。

template<typename T>
class LockFreeQueue {
public:
    void push(const T& newElement) {
        fifo.push(newElement);
        tail.fetch_add(1);
        cvQueue.notify_one();
    }

    void pop() {
        size_t oldTail = tail.load();
        size_t oldHead = head.load();

        if (oldTail == oldHead) {
            return;
        }

        fifo.pop();
        head.store(++oldHead);
    }

    bool isEmpty() {
        return head.load() == tail.load();
    }

    T& getFront() {
        return fifo.front();
    }

    void waitForNewElements() {
        if (tail.load() == head.load()) {
            std::mutex m;
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cvQueue.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(TIMEOUT_VALUE));
        }
    }

private:
    std::queue<T> fifo;
    std::atomic<size_t> head = { 0 };
    std::atomic<size_t> tail = { 0 };
    std::condition_variable cvQueue;
};

LockFreeQueue<std::vector<int>> dataQueue;
std::atomic<bool> store(true);

void setData(const std::vector<int>& data) {
    dataQueue.push(data);
    // do other things
}

void write(const std::string& fileName) {
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store.load()) {

        dataQueue.waitForNewElements();

        while (!dataQueue.isEmpty()) {
            std::vector<int>& data= dataQueue.getFront();

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            }
        }
    }
}

我在waitForNewElements中仍然有一个锁，但它并没有锁定整个进程，因为它正在等待事情的完成。但最大的改善是，生产者可以推动，而消费者流行。只有当LockFreQueue::tail和LockFreeQueue::head相同时，才禁止使用。这意味着队列是空的，并进入等待状态。

我不太满意的是cvQueue.wait_for(lock, TIMEOUT_VALUE)。我想做一个简单的cvQueue.wait(lock)，但问题是，当涉及到结束线程时，我在主线程中执行store.store(false)。因此，如果写线程正在等待，它将永远不会在没有超时的情况下结束。因此，我设置了足够大的超时，以便大多数情况下condition_variable由锁解析，而当线程结束时，则通过超时来解析。

如果你觉得一定有问题或必须改进，可以随意评论。