多線程下使用數組保存數據，必須先對數組進行加鎖，本文介紹?即時通訊軟件?的無鎖數組操作。

在之前的兩篇博客（線程安全的無鎖RingBuffer的實現，多個寫線程一個讀線程的無鎖隊列實現）中，分別寫了在只有一個讀線程、一個寫線程的情況下，以及只有一個寫線程、兩個讀線程的情況下，不采用加鎖技術，甚至原子運算的循環隊列的實現。但是，在其他的情況下，我們也需要盡可能高效的線程安全的隊列的實現。本文實現了一種基于循環數組和原子運算的無鎖隊列。采用原子運算（compare and swap）而不是加鎖同步，可以很大的提高運行效率。之所以用循環數組，是因為這樣在使用過程中不需要反復開辟內存空間，可以達到較好的效率。本文的實現參考了論文Implementing Lock-Free Queues所提到的方法。但是，在這篇論文中，作者并沒有給出具體的實現。本文的?即時通訊軟件?實現也和論文中的方法有所不同。本文的實現基于Windows操作系統，代碼在Visual Studio 2010下測試通過。

本文的實現基于compare and swap這個原子操作，簡寫為CAS。其原型為

long CAS(long* ptr, long old_value, long new_value).

其操作為，如果ptr所指向的變量和old_value相等，則將其置為new_value. 否則什么也不做。返回值為ptr所指向的變量。

本文提出的方法的基本原理如下。代碼會在其后附上。

首先，我們約定，有一個特殊的數值，叫做EMPTY，存入數組的所有數都不能是這個數值。在一開始，將整個buffer的值都初始化為EMPTY.

第二，以兩個變量，readCnt和writeCnt，來記錄讀和寫的次數。這兩個數模數組長度，就可以得到下一次讀和寫的位置。如果readCnt和writeCnt模buffer大小相等，則說明當前隊列為控；而如果在寫的位置不是EMPTY，則說明buffer已滿。

第三，也就是最重要的，線程同步的原理。在進行寫buffer操作時，首先通過CAS操作將buffer對應位置置為指定值，而writeCnt不變，因此其他線程無法在同樣的位置進行寫操作，這樣防止了其他寫線程的覆蓋。而由于此時writeCnt還沒有變，讀線程此時也無法讀該位置的數據，這樣防止了其他讀線程的沖突。接下來，第二步，則是通過CAS操作，將writeCnt加一。可以看到，代碼中在第一個CAS操作失敗的情況下，會執行一個增大writeCnt的原子操作。這樣做的目的是避免某個線程停掉導致其他所有線程都停掉。

而在進行寫操作時，首先通過判斷readCnt和writeCnt是否相等來判斷當前隊列是否已滿。這樣做的原因如前所述，是為了避免和寫線程之間的沖突。接下來，如果當前位置可以讀，則通過一個CAS操作將readCnt加一。這樣，其他讀線程就無法再讀這個位置。而由于這個位置值還不是EMPTY，其他寫線程也無法寫這個位置。接下來，在讀走數值之后，再通過CAS操作將buffer中的這個位置置為EMPTY. 此時，寫線程可以在這個位置寫入數據。

但是，這個?即時通訊軟件?實現其實還有點問題。如果讀線程比較多，例如，讀線程個數和數組長度一樣，就可能兩個讀線程同時讀同一個位置。這樣的讀沖突這個程序是無法避免的。另外，如果讀數據過程中有一個讀線程停掉了，那么其他線程在讀或者寫到這個位置時，也會被阻塞。

原文地址：http://www.nanshan.biz/thread-13079-1-1.html

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總結

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