学习笔记：无锁队列的原理以及c++实现
本期在讲解无锁队列前先补充一下上一期的一个问题
自旋锁和互斥锁区别
等到策略：自旋锁是在用户态忙等待，互斥锁在内核态休眠
上下文切换：自旋锁无上下文切换，互斥锁有用户态内核态的切换
场景：自旋锁适用持锁时间短，互斥锁用于持锁时间长
回到本期无锁队列的内容中
什么是无锁队列？
简单来说就是与阻塞队列相对的，不用锁而是用原子操作和内存屏障实现线程安全
为什么要无锁队列？
多线程环境下锁的开销较大，同时时间都浪费在保护队列争夺上面而不是执行任务，同时有些情况不能使用锁，所以就有开发无锁队列的需求
锁的局限：
线程阻塞带来的切换
死锁风险
性能瓶颈，高并发情况下锁竞争激烈，吞吐量下降
无锁无等待区别？
进度：无锁至少有一个线程成功，其他可能重试
无等待所有线程必成功，无重试
实现：无锁依赖cas等原子操作
无等待exchange等原子操作
spsc，mpsc，spmc，mpmc？
s指single，p指produce，m指multie前缀，多数，c指comsumer。四个分别指
单生产者单消费者
多生产者单消费者
单生产者多消费者
多生产者多消费者四种情况
Volatile，内存屏障，原子操作间的关系？
volatile：防止编译器优化，确保内存可见性
内存屏障 std::atomic_thread_fence
防止指令重排，保证内存可见性
无锁队列的代码实现
这里我们实现一个ring_buffer的spsc无锁队列实现，ringbuffer指的是这个缓存空间是环状的，但是我们都知道内存空间里是不存在环状的内存的，所以我们设计两个指针，write和read，等指到数组最后时再指回来实现环状。首先我们要知道做一个队列肯定是一个模板类，因为不确定队列中元素的类型。
我们先讨论私有变量
私有变量
private:alignas(64) std::atomic<std::size_t> read_;alignas(64) std::atomic<std::size_t> write_;alignas(64) std::aligned_storage_t<sizeof(T),alignof(T)> buffer_[Capacity];这里三个变量没有什么讨教，但是声明很有讨教，先看
alignas
alignas 是 C++11 引入的关键字，用于指定变量、类成员或类型的对齐要求。对齐（alignment）指数据在内存中的起始地址需满足特定倍数条件，通常用于优化硬件访问效率（如 SIMD 指令）或满足特定硬件约束（如 DMA 传输）。
这里alignas（64）指的就是这三个变量的其实地址位置必须是64的倍数，那么就有朋友要问了，为什么是64呢，请看下图
一个chcheline的长度是64字节，而读取数据的单位也就是者一个chcheline，如果说两个原子变量在同一个chcheline的话，其中一个更新会连带另一个进行更新，这样会造成程序运行减慢，分开内存对齐更符合高性能的设计目标。
aligned_storage_t
aligned_storage_t 是 C++ 标准库中提供的一个模板类，用于分配具有特定对齐要求的未初始化存储空间。它通常用于实现自定义容器、类型擦除或需要手动管理内存的场景。该模板类定义在 <type_traits> 头文件中。
用人话来说就是初始一个没有类型，没有对齐的存储空间，文中是创建了这样的一个数组空间，方便初始化。
构造和析构函数
template<typename T,std::size_t Capacity>
class RainBuffer {
public:static_assert(Capacity && !(Capacity & (Capacity - 1)),"Capacity 必须是2的n次方");RainBuffer() : read_(0),write_(0){}~RainBuffer() {std::size_t r = read_.load(std::memory_order_relaxed);std::size_t w = write_.load(std::memory_order_relaxed);while(r != w) {reinterpret_cast<T *>(&buffer_[r])->~T();r = (r + 1) & (Capacity - 1);}}static_assert
静态断言（Static Assertion）是一种在编译时进行检查的机制，用于验证代码中的条件是否满足。如果条件不成立，编译将失败并输出错误信息。静态断言通过编译时检查避免运行时错误，常用于模板元编程、类型检查或常量表达式的验证。
这里就是前置条件Capacity && !(Capacity & (Capacity - 1)不符合是输出后面的内容来保证Capacity是2的倍数，同时这里用了位运算
位运算
位运算就是直接对整数的二进制位进行操作的运算，效率非常高，是计算机底层的基本操作。所以这里将取余改为与运算
| 运算符 | 名称 | 作用 |
| & | 与 | 都是1才是1 |
| ` | 或 | 有1就是1 |
| ^ | 异或 | 相同为0不同为1 |
| ~ | 取反 | 把 0 变 1，1 变 0 |
| << | 左移 | 向左移动 n 位，相当于乘以 2ⁿ |
| >> | 右移 | 向右移动 n 位，相当于除以 2ⁿ（有符号/无符号略有区别） |
2的倍数只有首位为1，减1后后位全为1，所以只要不是到了Capacity，与的返回值都是原本的值，到了Capacity返回值为0.
Push
template<typename U>bool Push(U && value) {//万能引用const std::size_t w = write_.load(std::memory_order_relaxed);std::size_t w_next = (w + 1) & (Capacity - 1);if(w_next == read_.load(std::memory_order_acquire)) {return false;}new (&buffer_[w]) T(std::forward<U>(value));write_.store(w_next,std::memory_order_release);return true;}
这里我们留一个位置不放数据作为标兵位，检验是否有位置可以push
这里用模板函数因为不知道传进来的是什么类型，同时用万能引用可以接受左值和右值。
new (&buffer_[w]) T(std::forward<U>(value));
这里使用了placement new语法
new (内存地址) 类型(构造参数...);
这里直接在buffer里进行构造，同时用完美转发保证原来值的身份
完美转发就是需要把参数原封不动地传给另一个函数或构造函数，并希望保持原参数的类型（左值 or 右值）。
这里的内存序也值得讨论下面两个load和store不需解释，最上面的load为什么用relaxed呢，因为咱们是spsc，只有一个生产者线程，所以不需要考虑别的线程也在push，使用relaxed即可
Pop
bool Pop(T& value) {std::size_t r = read_.load(std::memory_order_relaxed);if(r == write_.load(std::memory_order_acquire)) {return false;}value = std::move(*reinterpret_cast<T *>(&buffer_[r]));reinterpret_cast<T *>(&buffer_[r])->~T();read_.store((r + 1) & (Capacity - 1),std::memory_order_release);return true;}
检验是否有数据可以pop后
value = std::move(*reinterpret_cast<T *>(&buffer_[r]));
这里完成的是从队列中“取出”元素并转移所有权到外部变量 value 上，reinterpret则是将buffer里的数据转为T*类型，再用move语义吧数据转成右值给到value，避免拷贝。
size
std::size_t Size() const{const std::size_t r = read_.load(std::memory_order_acquire);const std::size_t w = write_.load(std::memory_order_acquire);return (w >= r) ? (w - r) : (Capacity - r + w);}size函数获取空闲块数量
更多资料在：https://github.com/0voice查询