C++无锁队列实现（从零开始掌握高性能并发编程）

核心原理：CAS 操作

无锁队列的核心是 CAS（Compare-And-Swap）操作。CAS 是一种原子指令，它会比较内存中的值与预期值，如果相等，则将其更新为新值，并返回 true；否则返回 false，不做任何修改。

在 C++11 及以后的标准中，我们可以使用 std::atomic 提供的 compare_exchange_weak 或 compare_exchange_strong 来实现 CAS。

简单无锁队列实现（单生产者单消费者）

为了便于理解，我们先实现一个最简单的单生产者单消费者（SPSC）无锁队列。这种队列不需要处理复杂的 ABA 问题，适合初学者入门。

#include <atomic>#include <vector>#include <cstdint>template<typename T>class LockFreeQueue {private:    struct Node {        T data;        std::atomic<Node*> next{nullptr};        Node(T val) : data(std::move(val)) {}    };    alignas(64) std::atomic<Node*> head{nullptr};    alignas(64) std::atomic<Node*> tail{nullptr};public:    LockFreeQueue() {        Node* dummy = new Node(T{});        head.store(dummy);        tail.store(dummy);    }    ~LockFreeQueue() {        while (head.load()) {            Node* tmp = head.load();            head.store(tmp->next.load());            delete tmp;        }    }    void enqueue(T item) {        Node* newNode = new Node(std::move(item));        Node* prevTail = tail.load();        prevTail->next.store(newNode);        tail.store(newNode);    }    bool dequeue(T& result) {        Node* currentHead = head.load();        Node* nextNode = currentHead->next.load();        if (nextNode == nullptr) {            return false; // 队列为空        }        result = std::move(nextNode->data);        head.store(nextNode);        delete currentHead;        return true;    }};

⚠️ 注意：上面的代码适用于单生产者单消费者场景。如果你需要支持多生产者或多消费者，必须使用 CAS 循环来处理竞争条件，否则会出现数据竞争。

多生产者多消费者（MPMC）无锁队列要点

真正的 lock-free queue C++ 实现（如 MPMC）要复杂得多，需解决以下问题：

• ABA 问题：指针值相同但中间已被释放并重新分配，导致逻辑错误。可通过“带标签的指针”（tagged pointer）或 hazard pointer 解决。
• 内存回收：不能立即 delete 节点，因为其他线程可能还在访问。常用方案包括 epoch-based reclamation 或引用计数。
• CAS 循环：在 enqueue 和 dequeue 中需不断尝试 CAS 直到成功。

工业级实现如 moodycamel::ConcurrentQueue 或 Boost.Lockfree 提供了高效且经过充分测试的无锁队列，建议在生产环境中优先使用这些库。

总结

通过本教程，你已经了解了 C++无锁队列 的基本原理、CAS 操作的作用，以及如何实现一个简单的 SPSC 队列。虽然完整的 多线程无锁编程 涉及很多细节，但掌握这些基础是迈向高性能并发系统的第一步。

记住：无锁 ≠ 无 bug。在实际项目中，请务必进行充分的压力测试和正确性验证。

SEO关键词回顾：C++无锁队列、lock-free queue C++、多线程无锁编程、高性能并发队列。