无锁环形队列的一种高效实现

1.环形队列是什么 

队列是一种常用的数据结构,这种结构保证了数据是按照“先进先出”的原则进行操作的,即最先进去的元素也是最先出来的元素.环形队列是一种特殊的队列结构,保证了元素也是先进先出的,但与一般队列的区别是,他们是环形的,即队列头部的上个元素是队列尾部,通常是容纳元素数固定的一个闭环。

C代码实现见:https://github.com/dodng/fast_ring_queue

 

2.环形队列的优点

 

  1.保证元素是先进先出的

是由队列的性质保证的,在环形队列中通过对队列的顺序访问保证。

 

  2.元素空间可以重复利用

 

因为一般的环形队列都是一个元素数固定的一个闭环,可以在环形队列初始化的时候分配好确定的内存空间,当进队或出队时只需要返回指定元素内存空间的地址即可,这些内存空间可以重复利用,避免频繁内存分配和释放的开销。

 

  3.为多线程数据通信提供了一种高效的机制。

在最典型的生产者消费者模型中,如果引入环形队列,那么生成者只需要生成“东西”然后放到环形队列中即可,而消费者只需要从环形队列里取“东西”并且消费即可,没有任何锁或者等待,巧妙的高效实现了多线程数据通信。

 

3.环形队列的工作场景

一般应用于需要高效且频繁进行多线程通信传递数据的场景,例如:linux捕包、发包等等,(linux系统中对PACKET_RX_RING和PACKET_TX_RING的支持实质就是内核实现的一种环形队列)

 

实际环形队列在工作时有3种情况:

  3.1 入队速度=出队速度

这是环形队列的常态,即入队速度和出队速度大致一样,即使某个突然时刻入队速度陡然变高或者出队速度陡然变低,都能通过队列这个缓冲区把这些数据先存起来,等到能处理的时候再处理。

  3.2 入队速度>出队速度

在这种情况下,队列“写入”的速度>“读取”的速度,想象当这种状态持续一段时间之后,队列中大多数全是写入但没读取的元素,当又一个新的元素产生时,可以把这个新元素drop掉或者放在另一个缓冲区保存起来,这种情况的出现不是个好事情,说明你需要对出队处理元素的算法或逻辑优化处理速度了。

 

 

  3.3 入队速度<出队速度

           在这种情况下,队列“读取”速度>“写入”速度,这种情况说明程序出队处理元素的速度很快,这是比较好的情况,唯一不足的是读取队列的时候可能经常会轮询队列是否有新的元素,造成cpu占用过高。

 

 

4.无锁环形队列的实现

  4.1环形队列的存储结构

链表和线性表都是可以的,但几乎都用线性表实现,比链表快很多,原因也是显而易见的,因为访问链表需要挨个遍历。

  4.2读写index

有2个index很重要,一个是写入index,标示了当前可以写入元素的index,入队时使用。一个是读取index,标示了当前可以读取元素的index,出队时使用。

      4.3元素状态切换

有种很巧妙的方法,就是在队列中每个元素的头部加一个元素标示字段,标示这个元素是可读还是可写,而这个的关键就在于何时设置元素的可读可写状态,参照linux内核实现原理,当这个元素读取完之后,要设置可写状态,当这个元素写入完成之后,要设置可读状态。

 

5.实际测试效果

         在CentOS 5.5 (cpu每核主频1200MHz)设备上简单测试了一下。环形队列大小为10000,元素数据大小为4字节,每秒可以写入并读取的元素是250万左右,即250pps.

         C代码实现见:https://github.com/dodng/fast_ring_queue

posted @ 2015-03-26 10:22  dodng  阅读(22554)  评论(2编辑  收藏