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  • 看了相关文章,也读了一些博客,最后写了一份代码,代码实现对在多线程环境下对队列的读和写是不须要加锁的。代码例如以下看到的: #include <windows.h> #pragma comment(lib, "Kernel32.lib") ...

    近期几天在思考无锁队列。看了相关文章,也读了一些博客,最后写了一份代码,代码实现对在多线程环境下对队列的读和写是不须要加锁的。

    代码例如以下所看到的:


    #include <windows.h>
    #pragma comment(lib, "Kernel32.lib")
    
    template<typename VT>
    class LcFQue{//lock free queue
    public:
    	struct QueNode{
    		QueNode *next;
    		VT 		value;
    	};
    public:
    	LcFQue();
    	~LcFQue();
    public:
    	void	EnQue(const VT& val);
    	VT		DeQue();
    private:
    	QueNode	*tail;
    	QueNode	*head;
    };
    
    template<typename VT>
    LcFQue<VT>::LcFQue(){
    	tail= head= new QueNode;
    	tail->value= -1;
    	tail->next= NULL;
    }
    
    template<typename VT>
    LcFQue<VT>::~LcFQue(){
    	QueNode* DelNode= head;
    	while(DelNode!= tail){
    		head= head->next;
    		delete DelNode;
    		DelNode= head;
    	}
    	delete DelNode;
    }
    
    template<typename VT>
    void LcFQue<VT>::EnQue(const VT& val){
    	QueNode* node	= new QueNode;
    	node->next		= NULL;
    	node->value		= val;
    	QueNode* tTail;
    	do{
    		tTail= tail;
    	}while(InterlockedCompareExchange((LONG*)&(tTail->next),(LONG)node,NULL)!= NULL);
    	InterlockedCompareExchange((LONG*)(&tail),(LONG)node,(LONG)tTail);
    }
    
    template<typename VT>
    VT LcFQue<VT>::DeQue(){
    	QueNode* tHead;
    	do{
    		tHead= head;
    		if(tHead->next==NULL){
    			return -1;
    		}
    	}while(InterlockedCompareExchange((LONG*)(&head),(LONG)(head->next),(LONG)tHead)!= (LONG)tHead);
    	return tHead->next->value;
    }
    
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <iostream>
    #include <ctime>
    #include <cstdlib>
    using namespace std;
    LcFQue<int> que;
    
    
    int C[1000];
    DWORD WINAPI  EnQue(void* ParAddr);
    DWORD WINAPI  Deque(void* ParAddr);
    int main(){
    	memset(C,0,sizeof(C));
    	srand(time(NULL));
    	HANDLE hThread[10];
    	int AddEd[10];
    	for(int i= 0; i< 10; ++i){
    		AddEd[i]= i;
    	}
    	LPTHREAD_START_ROUTINE func;
    	for(int i= 0; i< 10; ++i){
    		if(i> 5){
    			func= Deque;
    		}else{
    			func= EnQue;
    		}
    		hThread[i]= ::CreateThread(
    			NULL,
    			0,
    			func,
    			AddEd+i,
    			0,
    			NULL
    			);
    	}
    	::WaitForMultipleObjects(10,hThread,TRUE,INFINITE);
    }
    
    DWORD WINAPI Deque(void* ParAddr){
    	while(true){
    		::Sleep(10);
    		int val= que.DeQue();
    		if(val==-1){
    			continue;
    		}
    		cout<<val<<'\n';
    		++C[val];
    	}
    	return 0;
    }
    
    DWORD WINAPI  EnQue(void* ParAddr){
    	int* obj= (int*)ParAddr;
    	for(int i= 0; i< 100; ++i){
    		que.EnQue(i*5+*obj);
    		::Sleep(rand()%10);
    	}
    	return 0;
    }


    转载于:https://www.cnblogs.com/zhchoutai/p/6735973.html

    展开全文
  • MpscLinkedQueue是Netty实现的一个基于多生产者单消费者的无锁队列,针对NioEventLoop中任务队列的特点,其单消费者的场景在一开始就避免了从队列中取数据时加锁的必要,而其最精妙的地方便是在多生产者并发从队列...

    本文的github地址:点此

    该文所涉及的netty源码版本为4.1.6。

    MpscLinkedQueue是什么

    在Netty的核心中的核心成员NioEventLoop中,其中任务队列的实现taskQueue便是MpscLinkedQueue。MpscLinkedQueue是Netty所实现的一个基于多生产者单消费者的无锁队列,针对NioEventLoop中任务队列的特点,其单消费者的场景在一开始就避免了从队列中取数据时加锁的必要,而其最精妙的地方便是在多生产者并发从队列中添加数据的时候也没有加锁,达到Netty所期望的高性能实现。这是如何实现的?

    MpscLinkedQueue无锁并发线程安全写入原理

    MpscLinkedQueue对于尾结点的维护

    首先,MpscLinkedQueue继承自AtomicReference,也就是说MpscLinkedQueue通过继承自AtomicReference的方式,显式地维护了一个提供原子读写能力的变量value。而在MpscLinkedQueue中,这个value是其内部维护的队列的尾结点。

    MpscLinkedQueue对于头结点的维护

    而后,来看MpscLinkedQueue的构造方法。

        MpscLinkedQueue() {
            MpscLinkedQueueNode<E> tombstone = new DefaultNode<E>(null);
            headRef = new FullyPaddedReference<MpscLinkedQueueNode<E>>();
            headRef.set(tombstone);
            setTail(tombstone);
        }
    

    在MpscLinkedQueue中,维护着headRef头结点字段,其队列内部节点的实现是一个MpscLinkedQueueNode。MpscLinkedQueueNode是一个除了存放具体队列元素外只有next字段的节点,也就是说,MpscLinkedQueue的队列是单向的。在构造方法的最后,通过setTail()方法的,将MpscLinkedQueue的尾结点字段value也设置为头结点。MpscLinkedQueue的头结点字段headRef的存在可以方便后续直接从头结点开始的队列操作,消费者可以简单判断头尾节点是否相等来确认队列中是否有元素可以消费。

    MpscLinkedQueue如何做到线程安全的无锁加入

        @Override
        @SuppressWarnings("unchecked")
        public boolean offer(E value) {
            if (value == null) {
                throw new NullPointerException("value");
            }
    
            final MpscLinkedQueueNode<E> newTail;
            if (value instanceof MpscLinkedQueueNode) {
                newTail = (MpscLinkedQueueNode<E>) value;
                newTail.setNext(null);
            } else {
                newTail = new DefaultNode<E>(value);
            }
    
            MpscLinkedQueueNode<E> oldTail = replaceTail(newTail);
            oldTail.setNext(newTail);
            return true;
        }
    
        private MpscLinkedQueueNode<E> replaceTail(MpscLinkedQueueNode<E> node) {
            return getAndSet(node);
        }
    

    MpscLinkedQueue的offer()方法很简短,但是恰恰就是整个添加队列元素加入的流程,当元素被加入的时候,首先判断加入的元素是否是MpscLinkedQueueNode,如果不是则进行封装。之后便是整个操作的重点:

    • 通过replaceTail()方法,将当前被加入的节点通过AtomicReference所提供的getAndSet()方法将其设为队列的尾结点,并返回先前的尾结点。这次操作由UNSAFE的CAS来保证操作的原子性。
    • 之后将之前的尾结点的next指向新加入的节点,本次加入宣告结束。
      整个操作就到此结束,这里可以看出,MpscLinkedQueue利用了AtomicReference底层UNSAFE的能力,通过CAS确保新设置进入value的节点必定能够和原先的节点达成一个且唯一的联系,那么只需要自顶向下不断通过将这个联系变成引用,那么一条队列便形成了。由于其实现是链表而不是数组,也就没有涉及到资源的竞争,在不加锁的前提下其队列顺序可能不会严格按照加入顺序,但这在当前场景下并不是问题。在这个前提,高并发的插入场景下,每个新进入的新节点都将获取原尾位置value上的节点,而自身将会被设置为其后驱节点重新放到尾结点位置上,CAS在不加锁的前提下保证了前后节点对应关系的唯一性,完成了并发条件下不加锁的线程安全写入。

    MpscLinkedQueue不支持remove()

    在MpscLinkedQueue中,是不支持remove()的方法去从队列中移除任意一个元素的。原因很简单,消费者和生产者是无锁的,消费者可以通过比较队首和队尾元素是否一致来保证线程安全地从队首取数据,但是remove()从队列中任意位置修改数据是线程不安全的,主要体现在移除队尾元素可能会导致正在加入的新元素被丢弃。

    MpscLinkedQueue另外的实现细节

    • MpscLinkedQueue中的头节点被通过FullyPaddedReference封装。其内部前后分别填充56字节和64字节来进行填充以避免伪共享导致的性能损耗,使得其头结点可以高效被访问。关于伪共享的相关知识可以通过搜索引擎进行查询。
    • MpscLinkedQueue在消费者消费数据后,当将下一个节点设置为头结点的时候,并不是直接进行赋值,而是通过UNSAFE来根据偏移量赋值,这样做将略微提高性能,主要是内存屏障storestrore和loadstrore之间的性能差异。
    展开全文
  • 根据上面链接的原理实现的单生产者,单消费者无锁队列 bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval,type newval, ...) 函数提供原子的比较和交换,如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr。 ...


    根据上面链接所说的原理实现的单生产者,单消费者无锁队列

    bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval,type newval, ...)
    函数提供原子的比较和交换,如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr。

    队列头文件

    /*
     * * Copyright (c) 
     * * All rights reserved.
     * *
     * * 文件名称:queue.h
     * * 文件标识:无
     * * 摘要:单生产者,单消费者无锁队列实现头文件
     * *
     * * 当前版本:1.0
     * * 作者:lishaozhe
     * * 完成日期:2014年6月14日
     * *
     * * 取代版本:
     * * 原作者:
     * * 完成日期:
     * *
    */
    
    #ifdef QUEUE_H
    #else
    #define QUEUE_H
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include "z_types.h"
    
    typedef struct queue_node_s
    {  
      char *data;  
      struct queue_node_s *next;  
    }queue_node_s, *queue_node_p;  
       
    typedef struct  
    {  
      queue_node_p head,rear; /* 队头、队尾指针 */  
    }link_queue_s, *link_queue_p;  
       
    /* 链队列的基本操作(9个) */  
    link_queue_p init_queue(void); 
     
    /* 销毁队列Q(无论空否均可) */     
    void destroy_queue(link_queue_p queue); 
    
    /* 将Q清为空队列 */     
    void clear_queue(link_queue_p queue); 
     
    /* 若Q为空队列,则返回TRUE,否则返回FALSE */     
    int queue_empty(link_queue_p queue); 
    
    /* 求队列的长度 */  
    int queue_length(link_queue_p queue); 
    
      
    /* 插入元素e为Q的新的队尾元素 */     
    int en_queue(link_queue_p queue, char *buf);
     
    /* 若队列不空,删除Q的队头元素,用e返回其值,并返回OK,否则返回ERROR */  
    void * de_queue(link_queue_p queue); 
    
    
    #endif




    队列实现文件

    /*
     * * Copyright (c) 
     * * All rights reserved.
     * *
     * * 文件名称:queue.c
     * * 文件标识:无
     * * 摘要:单生产者,单消费者无锁队列实现
     * *
     * * 当前版本:1.0
     * * 作者:lishaozhe
     * * 完成日期:2014年6月14日
     * *
     * * 取代版本:
     * * 原作者:
     * * 完成日期:
     * *
    */
    #include "queue.h"
    
     
    link_queue_p init_queue(void)  
    { /* 构造一个空队列Q */ 
        printf("**************init_queue\n"); 
        link_queue_p queue;
        queue_node_p node;
        queue = (link_queue_p)malloc(sizeof(link_queue_s));  
        if(NULL == queue)  
            return NULL; 
        node = (queue_node_p)malloc(sizeof(queue_node_s)); 
        if(NULL == node)  
        {
            free(queue);
            return NULL; 
        }
        node->next = NULL;
        node->data = NULL;
        queue->head = queue->rear = node; 
        return queue; 
    }  
       
    void destroy_queue(link_queue_p queue)  
    { /* 销毁队列Q(无论空否均可) */ 
        
     
        queue_node_p node;
        queue_node_p tmp = NULL;
    
        if (NULL == queue) return;  
        
        node = queue->head->next;
    
        while(node)  
        {  
            tmp = node;
            node = node->next;      
            free(tmp);   
        } 
        free(queue->head);
        queue->head = queue->rear=NULL;  
        free(queue);
    }  
       
    void clear_queue(link_queue_p queue)  
    { /* 将Q清为空队列 */  
        queue_node_p node;
        queue_node_p tmp = NULL;
    
        if (NULL == queue) return;  
        
        node = queue->head->next;
    
        while(node)  
        {  
            tmp = node;
            node = node->next;      
            free(tmp);   
        } 
        queue->rear = queue->head;  
    }  
       
    int queue_empty(link_queue_p queue)  
    { /* 若Q为空队列,则返回TRUE,否则返回FALSE */ 
        if (NULL == queue) return FAILURE;  
     
        if(queue->head->next == NULL)  
            return TRUE;  
        else  
            return FALSE;  
    }  
       
    int queue_length(link_queue_p queue)  
    { /* 求队列的长度 */  
        int i = 0;
        if (NULL == queue) return FAILURE;  
        queue_node_p node = queue->head;  
      
        while(node != queue->rear)  
        {  
            i++;  
            node = node->next;  
        }  
        return i;  
    }  
       
      
    int en_queue(link_queue_p queue, char *buf)  
    { 
        /* 插入元素e为Q的新的队尾元素 */  
        queue_node_p tmp, oldp;
        int retry = 0;
        queue_node_p node = (queue_node_p)malloc(sizeof(queue_node_s)); 
        if(NULL == node) /* 存储分配失败 */  
        {            
            return FAILURE;  
        }
    
        node->data = buf;  
        node->next = NULL;  
        tmp = queue->rear;
        oldp = tmp;
         
        do {
            if (retry > 3)
            {
                while (tmp->next != NULL)
                {
                    tmp = tmp->next;
                }
            }
            retry++;
        } while( __sync_bool_compare_and_swap(&(tmp->next), NULL, node) != TRUE); //如果没有把结点链上,再试
        __sync_bool_compare_and_swap(&(queue->rear), oldp, node); //置尾结点
         
        return SUCCESS;  
    }  
       
    void * de_queue(link_queue_p queue)  
    { 
        /* 若队列不空,删除Q的队头元素,成功返回其值,失败返回NULL */  
        queue_node_p node;  
        void * tmp = NULL; 
     
        do{
            node = queue->head->next;
           
            if (node == NULL)
            {
                return NULL;
            }
        }while( __sync_bool_compare_and_swap(&(queue->head->next), node, node->next) != TRUE);
        tmp = node->data;
        free(node);
    
        return tmp;
    
    
    }  
    



    类型头文件

    /*
     * * Copyright (c) 
     * * All rights reserved.
     * *
     * * 文件名称:z_types.h
     * * 文件标识:无
     * * 摘要:类型定义头文件
     * *
     * * 当前版本:1.0
     * * 作者:lishaozhe
     * * 完成日期:2014年6月14日
     * *
     * * 取代版本:
     * * 原作者:
     * * 完成日期:
     * *
    */
    
    #ifndef __Z_TYPES_H__
    #define __Z_TYPES_H__
    #include <asm/types.h>
    typedef enum { FALSE = 0, TRUE = 1 } Bool;
    
    typedef unsigned char		u8;
    typedef unsigned short		u16;
    typedef unsigned int		u32;
    
    typedef unsigned char uint8_t;
    typedef unsigned short int uint16_t;
    typedef unsigned int uint32_t;
    
    typedef unsigned char		unchar;
    typedef unsigned short		ushort;
    typedef unsigned int		uint;
    
    typedef signed char int8_t;
    typedef short int int16_t;
    typedef int int32_t;
    /*
    typedef unsigned long u64;
    typedef unsigned long long u64;
    */
    #define SUCCESS 0
    #define FAILURE -1
    #endif  /* _Z_TYPES_H */
    


    简单示例

    #include <stdio.h>
    #include "queue.h"
    
    int main()
    {
    	char buf[] = "One swallow does not make a summer.";
    	char *tmp;
    	link_queue_p queue;
    	queue = init_queue();
        printf("******************\n");
    	en_queue(queue, buf);
        
        printf("len = %d\n",queue_length(queue));
    	tmp = de_queue(queue);
        if (tmp)
    	    printf("tmp = %s\n", tmp);
        else
            printf("tmp = NULL\n");
        printf("*********over*********\n");
        destroy_queue(queue);
        return 1;
    }


    Makefile

    CFLAGS = -O2 -DHAVE_PF_RING  -Wall -DDEBUG_POOL -D KK_DEBUG 
    CC =  gcc 
      
    
    test:test.o queue.o 
    	${CC} ${CFLAGS} test.o queue.o -o $@ 
    
    test.o:
    	$(CC) -c test.c 
    queue.o:
    	$(CC) -c queue.c 
    clean:
    	rm -rf *.o 


    展开全文
  • 在一个边权只有0、1的无向图中搜索最短路径可以使用双端队列进行BFS。其原理是当前可以扩展到权重为0时,将其加入队首;权重为1时,将其加入队尾。 题目描述 达达是来自异世界魔女,她在漫目的地四处漂流...

    双端队列广搜

    在一个边权只有01的无向图中搜索最短路径可以使用双端队列进行BFS。其原理是当前可以扩展到的点的权重为0时,将其加入队首;权重为1时,将其加入队尾

    题目描述

    达达是来自异世界的魔女,她在漫无目的地四处漂流的时候,遇到了善良的少女翰翰,从而被收留在地球上。
    翰翰的家里有一辆飞行车。
    有一天飞行车的电路板突然出现了故障,导致无法启动。
    电路板的整体结构是一个RRCC列的网格(R,C500R,C≤500),如下图所示。
    在这里插入图片描述
    每个格点都是电线的接点,每个格子都包含一个电子元件。
    电子元件的主要部分是一个可旋转的、连接一条对角线上的两个接点的短电缆。
    在旋转之后,它就可以连接另一条对角线的两个接点。
    电路板左上角的接点接入直流电源,右下角的接点接入飞行车的发动装置。
    达达发现因为某些元件的方向不小心发生了改变,电路板可能处于断路的状态。
    她准备通过计算,旋转最少数量的元件,使电源与发动装置通过若干条短缆相连。
    不过,电路的规模实在是太大了,达达并不擅长编程,希望你能够帮她解决这个问题。
    注意:只能走斜向的线段,水平和竖直线段不能走。

    输入格式

    输入文件包含多组测试数据。
    第一行包含一个整数TT,表示测试数据的数目。
    对于每组测试数据,第一行包含正整数RRCC,表示电路板的行数和列数。
    之后RR行,每行CC个字符,字符是/\中的一个,表示标准件的方向。

    输出格式

    对于每组测试数据,在单独的一行输出一个正整数,表示所需的缩小旋转次数。
    如果无论怎样都不能使得电源和发动机之间连通,输出NO SOLUTION。

    算法思想

    把一个网格视为一个电子元件,在遍历的过程中只能走斜向的线段,水平和竖直方向不能走。因此
    1、从(0,0)点出发不能到达那些 x+y奇数的点。所以如果(m + n) & 1 == 1时,此题无解。

    2、从任意一点(x,y)出发能够扩展到4个方向(从左上角开始顺时针方向,以下皆同)的点有(x−1,y−1)(x−1,y+1)(x+1,y+1)(x+1,y−1)

    3、对于任意一点(x,y),对应4个方向的电子元(以左上角为顶点)在数组中的下标为(x−1,y−1)(x−1,y)(x,y)(x,y−1),如下图所示:
    在这里插入图片描述
    4、对于任意一点(x,y),对应4个方向上表示通路对应的字符分别是 \/\/

    5、从任意一点(x,y)出发能够扩展到的点可以分为两类:一类是权值为0的点,即已经是通路、不需要旋转对应的电子元件;另一类是权值为1的点,即需要旋转1次对应的电子元件。

    在一个边权只有01的无向图中搜索最短路径可以使用双端队列进行BFS。其原理是当前可以扩展到的点的权重为0时,将其加入队首;权重为1时,将其加入队尾

    代码实现

    #include <iostream>
    #include <cstring>
    #include <deque>
    
    #define x first
    #define y second
    
    using namespace std;
    
    const int N = 510;
    
    typedef pair<int, int> PII;
    
    char g[N][N];
    int n, m;
    
    //可以扩展到的4个方向的坐标差值
    int dx[] = {-1, -1, 1, 1}, dy[] = {-1, 1, 1, -1};
    //可以扩展到的4个方向对应的电子元件在g[][]中的下标差值
    int ix[] = {-1, -1, 0, 0}, iy[] = {-1, 0, 0, -1};
    
    //dis[i][j]表示(0,0)点到(i,j)点距离
    //st[i][j]表示(i,j)已经扩展过
    int dis[N][N], st[N][N];
    
    //cs[]表示对应4个方向表示通路的字符,注意'\'需要转义字符
    char cs[] = "\\/\\/";
    
    int bfs()
    {
        memset(st, 0, sizeof st);
        memset(dis, 0x3f, sizeof dis);
        dis[0][0] = 0; //从(0,0)点出发,距离为0
        
        deque<PII> q; //双端队列
        q.push_back({0, 0}); //(0, 0)点入队
        
        while(q.size())
        {
            PII t = q.front(); //取出队首
            q.pop_front(); //从队首出队
            
            int x = t.x, y = t.y;
            
            //注意:这里有 n * m 个网格,所以点的坐标应为(0,0) ~ (n, m)
            if(x == n && y == m) break;
            
            if(st[x][y]) continue;
            st[x][y] = 1; //(x,y)标识为已扩展过
            
            for(int i = 0; i < 4; i ++)
            {
                int a = x + dx[i], b = y + dy[i];
                if(a < 0 || a > n || b < 0 || b > m) continue; //数组越界
                
                //(ga, gb)表示(x, y)点对应的字符在数组g[][]中的下标
                int ga = x + ix[i], gb = y + iy[i];
                
                //g[ga][gb]表示输入的字符,cs[i]表示连通时的字符
                //不相等即不连通时权重为1,相等即已连通时权重为0
                int w = (cs[i] != g[ga][gb]); 
                
                //计算距离
                int d = dis[x][y] + w;
                
                if(d < dis[a][b]) //是否可以松弛
                {
                    dis[a][b] = d;
                    //边权为0时,进入队首
                    if(!w) q.push_front({a, b});
                    //边权为1时,进入队尾
                    else q.push_back({a, b});
                }
            }
        }
        
        return dis[n][m];
    }
    
    int main()
    {
        int T;
        cin >> T;
        while(T --)
        {
            cin >> n >> m;
        
            for(int i = 0; i < n; i++) scanf("%s", g[i]);
            
            if(n + m & 1) puts("NO SOLUTION");
            else printf("%d\n", bfs());
        }
        
        return 0;
    }
    
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无所队列的原理