高性能编程：无锁队列----MsgQueue代码实践

目录

概述

代码结构

1. 头文件解析 (msgqueue.h)

2. 实现文件解析 (msgqueue.c)

核心功能解析

2.1 创建队列 (msgqueue_create)

2.2 放入消息 (msgqueue_put)

2.3 获取消息 (msgqueue_get)

2.4 交换队列 (__msgqueue_swap)

2.5 阻塞与非阻塞模式

2.6 销毁队列 (msgqueue_destroy)

3. 测试程序解析 (main_msgqueue.cpp)

关键点解析

4. 工作机制详解

4.1 Put队列和Get队列的分离

4.2 队列为空时的阻塞与交换

4.3 生产者与消费者的碰撞处理

4.4 阻塞与非阻塞模式

5. 示例程序运行流程

6. 运行示例

总结

高性能编程：无锁队列概念icon-default.png?t=O83Ahttps://blog.csdn.net/weixin_43925427/article/details/142203825?sharetype=blogdetail&sharerId=142203825&sharerefer=PC&sharesource=weixin_43925427&sharefrom=from_linkMsgQueue在多生产者多消费者（MPMC）场景下的实现原理及其工作机制。

概述

msgqueue是一个用于多生产者多消费者场景的消息队列实现。它将队列分为put队列和get队列，分别用于生产者和消费者操作。其主要逻辑如下：

  1. Put队列：生产者线程将消息入队到put队列。
  2. Get队列：消费者线程从get队列中出队消息。
  3. 交换机制：当get队列为空时，尝试与put队列进行交换，使消费者能够获取新的消息。
  4. 阻塞与非阻塞：根据队列的状态和配置，决定是否阻塞消费者或生产者线程。

代码结构

代码分为三个主要部分：

  1. 头文件 (msgqueue.h)：定义了消息队列的接口和数据结构。
  2. 实现文件 (msgqueue.c)：实现了消息队列的功能。
  3. 测试程序 (main_msgqueue.cpp)：演示了如何使用消息队列。

1. 头文件解析 (msgqueue.h)

#ifndef _MSGQUEUE_H_
#define _MSGQUEUE_H_

#include <stddef.h>

typedef struct __msgqueue msgqueue_t;

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif

/* 消息队列的接口函数 */
msgqueue_t *msgqueue_create(size_t maxlen, int linkoff);
void msgqueue_put(void *msg, msgqueue_t *queue);
void *msgqueue_get(msgqueue_t *queue);
void msgqueue_set_nonblock(msgqueue_t *queue);
void msgqueue_set_block(msgqueue_t *queue);
void msgqueue_destroy(msgqueue_t *queue);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif
  • msgqueue_create：创建一个消息队列，maxlen表示队列的最大长度，linkoff表示消息结构中用于链接下一个消息的偏移量。
  • msgqueue_put：生产者将消息放入队列。
  • msgqueue_get：消费者从队列中获取消息。
  • msgqueue_set_nonblock / msgqueue_set_block：设置队列为非阻塞或阻塞模式。
  • msgqueue_destroy：销毁消息队列，释放资源。

2. 实现文件解析 (msgqueue.c)

#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include "msgqueue.h"

/* 消息队列的内部结构 */
struct __msgqueue
{
    size_t msg_max;          // 队列的最大长度
    size_t msg_cnt;          // 当前消息数量
    int linkoff;             // 链接偏移量
    int nonblock;            // 是否为非阻塞模式
    void *head1;             // get队列的第一个头节点
    void *head2;             // put队列的第一个头节点
    void **get_head;         // 指向get队列头指针的指针
    void **put_head;         // 指向put队列头指针的指针
    void **put_tail;         // 指向put队列尾指针的指针
    pthread_mutex_t get_mutex; // get队列的互斥锁
    pthread_mutex_t put_mutex; // put队列的互斥锁
    pthread_cond_t get_cond;   // get队列的条件变量
    pthread_cond_t put_cond;   // put队列的条件变量
};
核心功能解析
2.1 创建队列 (msgqueue_create)
msgqueue_t *msgqueue_create(size_t maxlen, int linkoff)
{
    msgqueue_t *queue = (msgqueue_t *)malloc(sizeof(msgqueue_t));
    int ret;

    if (!queue)
        return NULL;

    ret = pthread_mutex_init(&queue->get_mutex, NULL);
    if (ret == 0)
    {
        ret = pthread_mutex_init(&queue->put_mutex, NULL);
        if (ret == 0)
        {
            ret = pthread_cond_init(&queue->get_cond, NULL);
            if (ret == 0)
            {
                ret = pthread_cond_init(&queue->put_cond, NULL);
                if (ret == 0)
                {
                    queue->msg_max = maxlen;
                    queue->linkoff = linkoff;
                    queue->head1 = NULL;
                    queue->head2 = NULL;
                    queue->get_head = &queue->head1;
                    queue->put_head = &queue->head2;
                    queue->put_tail = &queue->head2;
                    queue->msg_cnt = 0;
                    queue->nonblock = 0;
                    return queue;
                }

                pthread_cond_destroy(&queue->get_cond);
            }

            pthread_mutex_destroy(&queue->put_mutex);
        }

        pthread_mutex_destroy(&queue->get_mutex);
    }

    errno = ret;
    free(queue);
    return NULL;
}
  • 初始化互斥锁和条件变量：为get和put操作分别初始化互斥锁和条件变量。
  • 初始化队列头指针：get_head指向head1，put_head和put_tail指向head2，实现put和get队列的分离。
2.2 放入消息 (msgqueue_put)
void msgqueue_put(void *msg, msgqueue_t *queue)
{
    void **link = (void **)((char *)msg + queue->linkoff);

    *link = NULL;
    pthread_mutex_lock(&queue->put_mutex);
    while (queue->msg_cnt > queue->msg_max - 1 && !queue->nonblock)
        pthread_cond_wait(&queue->put_cond, &queue->put_mutex);

    *queue->put_tail = link;
    queue->put_tail = link;
    queue->msg_cnt++;
    pthread_mutex_unlock(&queue->put_mutex);
    pthread_cond_signal(&queue->get_cond);
}
  • 计算消息的链接指针：根据linkoff偏移量获取消息结构中用于链接下一个消息的指针。
  • 设置链接指针为空：表示当前消息是链表的末尾。
  • 锁定put队列：确保多个生产者线程安全地操作put队列。
  • 阻塞条件：如果当前消息数量超过msg_max - 1且不是非阻塞模式，生产者线程将被阻塞，直到有空间可用。
  • 入队操作：
    • 将当前消息链接到put队列的尾部。
    • 更新put队列的尾指针。
    • 增加消息计数。
  • 解锁put队列：释放锁，允许其他生产者继续入队。
  • 通知消费者：通过条件变量get_cond唤醒可能被阻塞的消费者线程。
2.3 获取消息 (msgqueue_get)
void *msgqueue_get(msgqueue_t *queue)
{
    void *msg;

    pthread_mutex_lock(&queue->get_mutex);
    if (*queue->get_head || __msgqueue_swap(queue) > 0)
    {
        msg = (char *)*queue->get_head - queue->linkoff;
        *queue->get_head = *(void **)*queue->get_head;
    }
    else
        msg = NULL;

    pthread_mutex_unlock(&queue->get_mutex);
    return msg;
}
  • 锁定get队列：确保多个消费者线程安全地操作get队列。
  • 判断get队列是否有消息：
    • 如果*get_head不为空，直接获取消息。
    • 否则，调用__msgqueue_swap尝试将put队列和get队列交换。
  • 获取消息：
    • 计算消息的实际地址（通过减去linkoff偏移量）。
    • 更新get队列的头指针，指向下一个消息。
  • 解锁get队列：释放锁，允许其他消费者继续出队。
  • 返回消息：如果队列为空，返回NULL。
2.4 交换队列 (__msgqueue_swap)
static size_t __msgqueue_swap(msgqueue_t *queue)
{
    void **get_head = queue->get_head;
    size_t cnt;

    queue->get_head = queue->put_head;
    pthread_mutex_lock(&queue->put_mutex);
    while (queue->msg_cnt == 0 && !queue->nonblock)
        pthread_cond_wait(&queue->get_cond, &queue->put_mutex);

    cnt = queue->msg_cnt;
    if (cnt > queue->msg_max - 1)
        pthread_cond_broadcast(&queue->put_cond);

    queue->put_head = get_head;
    queue->put_tail = get_head;
    queue->msg_cnt = 0;
    pthread_mutex_unlock(&queue->put_mutex);
    return cnt;
}
  • 交换get_head与put_head：将put队列的头指针赋值给get队列，使消费者能够获取新的消息。
  • 锁定put队列：在交换过程中，确保生产者不会同时操作put队列。
  • 阻塞条件：如果put队列为空且不是非阻塞模式，消费者线程将被阻塞，直到有新的消息入队。
  • 获取消息计数：记录当前put队列中的消息数量。
  • 条件广播：如果消息数量超过msg_max - 1，通过put_cond唤醒被阻塞的生产者线程。
  • 重置put队列：
    • 将put队列的头尾指针指向之前的get_head。
    • 重置消息计数。
  • 解锁put队列：允许生产者线程继续入队。
  • 返回消息计数：用于判断是否有新消息可供获取。
2.5 阻塞与非阻塞模式
void msgqueue_set_nonblock(msgqueue_t *queue)
{
    queue->nonblock = 1;
    pthread_mutex_lock(&queue->put_mutex);
    pthread_cond_signal(&queue->get_cond);
    pthread_cond_broadcast(&queue->put_cond);
    pthread_mutex_unlock(&queue->put_mutex);
}

void msgqueue_set_block(msgqueue_t *queue)
{
    queue->nonblock = 0;
}
  • msgqueue_set_nonblock：
    • 设置队列为非阻塞模式。
    • 通过条件变量唤醒所有被阻塞的生产者和消费者线程，防止死锁。
  • msgqueue_set_block：
    • 设置队列为阻塞模式。
2.6 销毁队列 (msgqueue_destroy)
void msgqueue_destroy(msgqueue_t *queue)
{
    pthread_cond_destroy(&queue->put_cond);
    pthread_cond_destroy(&queue->get_cond);
    pthread_mutex_destroy(&queue->put_mutex);
    pthread_mutex_destroy(&queue->get_mutex);
    free(queue);
}
  • 销毁互斥锁和条件变量：释放资源。
  • 释放队列内存：销毁队列对象。

3. 测试程序解析 (main_msgqueue.cpp)

#include "msgqueue.h"

#include <cstddef>
#include <thread>
#include <iostream>

// 消息结构体
struct Count {
    Count(int _v) : v(_v), next(nullptr) {}
    int v;
    Count *next;
};

int main() {
    // linkoff: Count结构体中用于链接下一个节点的指针的偏移量
    msgqueue_t* queue = msgqueue_create(1024, sizeof(int));

    // 生产者线程1
    std::thread pd1([&]() {
        msgqueue_put(new Count(100), queue);
        msgqueue_put(new Count(200), queue);
        msgqueue_put(new Count(300), queue);
        msgqueue_put(new Count(400), queue);
    });

    // 生产者线程2
    std::thread pd2([&]() {
        msgqueue_put(new Count(500), queue);
        msgqueue_put(new Count(600), queue);
        msgqueue_put(new Count(700), queue);
        msgqueue_put(new Count(800), queue);
    });

    // 消费者线程1
    std::thread cs1([&]() {
        Count *cnt;
        while((cnt = (Count *)msgqueue_get(queue)) != NULL) {
            std::cout << std::this_thread::get_id() << " : pop " << cnt->v << std::endl;
            delete cnt;
        }
    });

    // 消费者线程2
    std::thread cs2([&]() {
        Count *cnt;
        while((cnt = (Count *)msgqueue_get(queue)) != NULL) {
            std::cout << std::this_thread::get_id() << " : pop " << cnt->v << std::endl;
            delete cnt;
        }
    });

    // 等待所有线程完成
    pd1.join();
    pd2.join();
    cs1.join();
    cs2.join();

    // 销毁队列
    msgqueue_destroy(queue);
    
    return 0;
}
关键点解析

  1. 消息结构体 Count：

    • 包含一个整数值 v 和一个指针 next，用于链接下一个消息。
    • linkoff设置为sizeof(int)，表示next指针在结构体中的偏移量。

  2. 创建消息队列：

    msgqueue_t* queue = msgqueue_create(1024, sizeof(int));

    • maxlen设置为1024，表示队列的最大长度。

    • linkoff设置为sizeof(int)，表示消息结构体中next指针的偏移量。

  3. 生产者线程：

    • 两个生产者线程pd1和pd2，分别放入四个不同的Count消息。

  4. 消费者线程：
    • 两个消费者线程cs1和cs2，不断从队列中获取消息并打印，然后删除消息。
    • 当队列为空且所有生产者已完成入队，msgqueue_get返回NULL，线程结束。
  5. 销毁队列： 
    msgqueue_destroy(queue);

4. 工作机制详解

msgqueue的工作机制可以概括为以下几个步骤：

4.1 Put队列和Get队列的分离

  • Put队列：

    • 由生产者线程操作。
    • 通过put_head和put_tail指针管理，生产者将消息链接到put队列的尾部。
    • 使用put_mutex和put_cond确保线程安全和同步。

  • Get队列：

    • 由消费者线程操作。
    • 通过get_head指针管理，消费者从get队列的头部获取消息。
    • 使用get_mutex和get_cond确保线程安全和同步。
4.2 队列为空时的阻塞与交换

  • 当Put队列和Get队列都为空时：

    • 消费者线程会被阻塞，等待生产者线程入队新消息。
    • 这是通过__msgqueue_swap函数中的pthread_cond_wait实现的。

  • 当Get队列为空但Put队列有消息时：

    • 消费者线程尝试将put队列与get队列交换，使消费者能够获取新的消息。
    • 这是通过__msgqueue_swap函数实现的，锁定put队列并交换头指针。
    • 交换过程中，生产者和消费者可能会发生碰撞，即生产者正在入队时，消费者尝试交换队列。
    • 其他情况下，生产者仅与生产者竞争put队列，消费者仅与消费者竞争get队列，避免了交叉竞争。
4.3 生产者与消费者的碰撞处理

  • 碰撞情形：

    • 当一个消费者尝试交换队列时，可能会与多个生产者线程同时操作put队列。
    • 为了保证线程安全，__msgqueue_swap在交换过程中锁定了put队列的互斥锁，确保只有一个消费者能够成功交换。

  • 非碰撞情形：

    • 生产者仅操作put队列，锁定put_mutex，避免与其他生产者竞争。
    • 消费者仅操作get队列，锁定get_mutex，避免与其他消费者竞争。
4.4 阻塞与非阻塞模式

  • 阻塞模式：

    • 当队列满时，生产者线程会被阻塞，等待消费者线程出队腾出空间。
    • 当队列空时，消费者线程会被阻塞，等待生产者线程入队新消息。

  • 非阻塞模式：

    • 通过调用msgqueue_set_nonblock将队列设置为非阻塞模式。
    • 在非阻塞模式下，生产者和消费者线程不会因为队列满或空而被阻塞，而是立即返回。

5. 示例程序运行流程

  1. 创建队列：

    • 队列初始为空，head1和head2均为NULL。
    • get_head指向head1，put_head和put_tail指向head2。

  2. 生产者入队：

    • pd1和pd2分别向put队列中入队4个消息。
    • 每次msgqueue_put操作：
      • 计算消息的链接指针。
      • 锁定put_mutex。
      • 检查队列是否已满，必要时阻塞。
      • 将消息链接到put队列的尾部。
      • 更新尾指针和消息计数。
      • 解锁put_mutex并通知消费者。

  3. 消费者出队：

    • cs1和cs2不断调用msgqueue_get获取消息。
    • 每次msgqueue_get操作：
      • 锁定get_mutex。
      • 检查get队列是否有消息，若无则尝试交换。
      • 获取消息并更新get队列的头指针。
      • 解锁get_mutex并返回消息。
      • 打印消息内容并删除消息对象。

  4. 交换队列：

    • 当get队列为空且put队列有消息时，消费者线程调用__msgqueue_swap将put队列与get队列交换。
    • 这样，消费者可以从新的get队列中获取到生产者入队的消息。

  5. 线程同步：

    • 生产者和消费者通过互斥锁和条件变量确保线程安全和同步。
    • 队列的阻塞与非阻塞模式根据具体需求进行配置。

6. 运行示例

输出如下：

140353163797760 : pop 100
140353155405056 : pop 500
140353163797760 : pop 200
140353155405056 : pop 600
140353163797760 : pop 300
140353155405056 : pop 700
140353163797760 : pop 400
140353155405056 : pop 800
  • 每一行显示了哪个消费者线程（通过线程ID标识）获取了哪个消息。
  • 消费者线程交替获取生产者线程入队的消息，确保了队列的先进先出（FIFO）特性。

总结

msgqueue通过将队列分为put和get两部分，并使用互斥锁和条件变量实现了多生产者多消费者的线程安全。然而，它仍依赖于传统的锁机制，而非真正的无锁操作。如果对性能有更高的要求，建议探索无锁队列的实现方法，如基于原子操作的Michael & Scott队列。此外，结合内存管理优化和缓存友好性设计，可以进一步提升队列的性能和效率。

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如何通过 PhantomJS 模拟用户行为抓取动态网页内容

如何通过 PhantomJS 模拟用户行为抓取动态网页内容

引言 随着网页技术的不断进步&#xff0c;JavaScript 动态加载内容已成为网站设计的新常态&#xff0c;这对传统的静态网页抓取方法提出了挑战。为了应对这一挑战&#xff0c;PhantomJS 作为一个无头浏览器&#xff0c;能够模拟用户行为并执行 JavaScript&#xff0c;成为了获…
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GeoPandas在地理空间数据分析中的应用

GeoPandas在地理空间数据分析中的应用

GeoPandas是一个开源的Python库&#xff0c;专门用于处理和分析地理空间数据。它建立在Pandas库的基础上&#xff0c;扩展了Pandas的数据类型&#xff0c;使得用户能够在Python中方便地进行GIS操作。GeoPandas的核心数据结构是GeoDataFrame&#xff0c;它是Pandas的DataFrame的…
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uniapp小程序，使用腾讯地图获取定位

uniapp小程序，使用腾讯地图获取定位

本篇文章分享一下在实际开发小程序时遇到的需要获取用户当前位置的问题&#xff0c;在小程序开发过程中经常使用到获取定位功能。uniapp官方也提供了相应的API供我们使用。 官网地址&#xff1a;uni.getLocation(OBJECT)) 官网获取位置的详细介绍这里就不再讲述了&#xff0c;大…
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红光一字激光器在工业中的性能指标怎样

红光一字激光器在工业中的性能指标怎样

红光一字激光器作为现代工业中不可或缺的重要设备&#xff0c;以其独特的性能和广泛的应用场景&#xff0c;成为众多行业的首选工具。本文就跟大家详细探讨红光一字激光器在工业中的性能指标&#xff0c;以及这些指标如何影响其在实际应用中的表现。 光束质量 红光一字激光器以…
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