0

0

C++如何实现环形缓冲区?(无锁队列基础结构)

裘德小鎮的故事

裘德小鎮的故事

发布时间:2026-02-26 08:14:02

|

471人浏览过

|

来源于php中文网

原创

不能用 std::queue 做环形缓冲区,因其底层 std::deque 内存不连续、无原子读写指针接口,无法满足固定大小、连续内存、独立指针推进和 wrap-around 等核心要求。

c++如何实现环形缓冲区?(无锁队列基础结构)

为什么不用 std::queue 做环形缓冲区

因为 std::queue 底层默认用 std::deque,内存不连续,没法靠指针加减实现真正的“环形”;而且它没提供读写位置的原子访问接口,无法支撑无锁逻辑。环形缓冲区核心诉求是:固定大小、内存连续、读写指针可独立推进、支持 wrap-around(越界回绕)。所以得自己管内存和指针算术。

常见错误现象:std::queue::size() 在多线程里不可靠;用 std::vector 动态扩容会破坏地址稳定性;手动 new char[N] 但没对齐,导致原子操作失败(尤其在 ARM 或 x86-64 的 std::atomic<uintptr_t></uintptr_t> 上)。

  • 必须用 alignas(64) 对齐缓冲区(主流 CPU 缓存行宽度)
  • 容量必须是 2 的幂(方便用位运算代替取模,避免分支和除法)
  • 读写指针类型建议用 std::atomic<size_t></size_t>,别用 int 或裸指针

怎么写一个基础的单生产者单消费者(SPSC)环形缓冲区

SPSC 是唯一能完全无锁(lock-free)且无需内存屏障的场景——因为读写各只有一方,只需保证指针更新的原子性 + 数据写入的顺序可见性。关键不是“锁不锁”,而是“谁能看到谁的写”。

典型使用场景:日志采集线程往缓冲区塞数据,主线程定时刷盘;传感器采样中断服务程序写,用户态线程读。

立即学习C++免费学习笔记(深入)”;

元气AI Bot
元气AI Bot

猎豹推出的国产Clawdbot ,一键安装,免费使用

下载
  • 缓冲区大小设为 N(2 的幂),则有效容量是 N - 1(留 1 空位区分满/空)
  • 写指针推进后,先写数据,再更新指针(否则读者可能读到未初始化内存)
  • 读指针推进前,先读数据,再更新指针(否则写者可能覆盖未读数据)
  • (index & (N - 1)) 替代 index % N,前提是 N 是 2 的幂

示例片段(简化版):

class SPSCRingBuffer {
    alignas(64) char buf_[1024];
    std::atomic<size_t> write_idx_{0};
    std::atomic<size_t> read_idx_{0};
public:
    bool try_push(const char* data, size_t len) {
        size_t w = write_idx_.load(std::memory_order_relaxed);
        size_t r = read_idx_.load(std::memory_order_acquire);
        if ((w - r) >= 1023) return false; // 满
        memcpy(buf_ + (w & 1023), data, len);
        write_idx_.store(w + 1, std::memory_order_release);
        return true;
    }
};

多生产者或多消费者时,为什么不能直接加锁

加锁本身不违反“无锁队列基础结构”的定位,但一旦加锁,就失去了 lock-free 的核心优势:任意线程崩溃不会阻塞其他线程。更现实的问题是性能瓶颈——比如多个采集线程争抢同一个 std::mutex,吞吐量卡死在几十万 ops/s,而无锁 SPSC 轻松破千万。

真正难的是 MPSC(多生产单消费)或 MPMC(多对多):需要解决 ABA 问题、指针更新竞争、内存重排干扰。这时候不能只靠 std::atomic::compare_exchange_weak,还得配合适当的 memory order 和 padding 防伪共享(false sharing)。

  • MPSC 至少要两个写指针字段:write_idx(全局)和 local_write_idx(每个生产者私有),避免写指针成为热点
  • 所有原子操作尽量用 std::memory_order_acquire/release,别图省事全用 relaxed
  • 读写指针变量之间至少隔 64 字节(用 alignas(64) 或填充数组),否则不同线程改不同指针也会因缓存行冲突拖慢

容易被忽略的边界:字节序、对齐、调试验证

环形缓冲区出问题,90% 不是逻辑错,而是底层细节失控。比如在嵌入式平台用 uint8_t* 直接 cast 成 int32_t* 读写,结果因未对齐触发硬件异常;或者调试时用 gdb 打印 read_idx_ 值,却发现它“卡住不动”,其实是优化让变量被寄存器缓存,没刷新到内存。

  • 所有跨线程访问的变量,必须声明为 std::atomic,哪怕只是 size_t —— 普通变量的读写在 C++ 标准里不保证原子性
  • 缓冲区起始地址必须满足目标类型对齐要求(例如存 double 就要 8 字节对齐),否则 memcpy 可能变慢,甚至 std::atomic<t></t> 构造失败
  • 验证是否真无锁:用 perf record -e instructions:u 看热点是否集中在 cmpxchg 指令,而不是 futex_wait

最麻烦的从来不是怎么写完,而是怎么确认它在所有负载下都既正确又不退化。比如批量写入时忘了检查剩余空间分段处理,一次 push 超过缓冲区剩余容量,就会静默丢数据——这种 bug 很难复现,也很难测出来。

热门AI工具

更多
DeepSeek
DeepSeek

幻方量化公司旗下的开源大模型平台

豆包大模型
豆包大模型

字节跳动自主研发的一系列大型语言模型

通义千问
通义千问

阿里巴巴推出的全能AI助手

腾讯元宝
腾讯元宝

腾讯混元平台推出的AI助手

文心一言
文心一言

文心一言是百度开发的AI聊天机器人,通过对话可以生成各种形式的内容。

讯飞写作
讯飞写作

基于讯飞星火大模型的AI写作工具,可以快速生成新闻稿件、品宣文案、工作总结、心得体会等各种文文稿

即梦AI
即梦AI

一站式AI创作平台,免费AI图片和视频生成。

ChatGPT
ChatGPT

最最强大的AI聊天机器人程序,ChatGPT不单是聊天机器人,还能进行撰写邮件、视频脚本、文案、翻译、代码等任务。

相关专题

更多
string转int
string转int

在编程中,我们经常会遇到需要将字符串(str)转换为整数(int)的情况。这可能是因为我们需要对字符串进行数值计算,或者需要将用户输入的字符串转换为整数进行处理。php中文网给大家带来了相关的教程以及文章,欢迎大家前来学习阅读。

850

2023.08.02

int占多少字节
int占多少字节

int占4个字节,意味着一个int变量可以存储范围在-2,147,483,648到2,147,483,647之间的整数值,在某些情况下也可能是2个字节或8个字节,int是一种常用的数据类型,用于表示整数,需要根据具体情况选择合适的数据类型,以确保程序的正确性和性能。本专题为大家提供相关的文章、下载、课程内容,供大家免费下载体验。

585

2024.08.29

c++怎么把double转成int
c++怎么把double转成int

本专题整合了 c++ double相关教程,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

294

2025.08.29

C++中int的含义
C++中int的含义

本专题整合了C++中int相关内容,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

210

2025.08.29

c++怎么把double转成int
c++怎么把double转成int

本专题整合了 c++ double相关教程,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

294

2025.08.29

C++中int、float和double的区别
C++中int、float和double的区别

本专题整合了c++中int和double的区别,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

105

2025.10.23

硬盘接口类型介绍
硬盘接口类型介绍

硬盘接口类型有IDE、SATA、SCSI、Fibre Channel、USB、eSATA、mSATA、PCIe等等。详细介绍:1、IDE接口是一种并行接口,主要用于连接硬盘和光驱等设备,它主要有两种类型:ATA和ATAPI,IDE接口已经逐渐被SATA接口;2、SATA接口是一种串行接口,相较于IDE接口,它具有更高的传输速度、更低的功耗和更小的体积;3、SCSI接口等等。

1657

2023.10.19

PHP接口编写教程
PHP接口编写教程

本专题整合了PHP接口编写教程,阅读专题下面的文章了解更多详细内容。

506

2025.10.17

batoto漫画官网入口与网页版访问指南
batoto漫画官网入口与网页版访问指南

本专题系统整理batoto漫画官方网站最新可用入口,涵盖最新官网地址、网页版登录页面及防走失访问方式说明,帮助用户快速找到batoto漫画官方平台,稳定在线阅读各类漫画内容。

127

2026.02.25

热门下载

更多
网站特效
/
网站源码
/
网站素材
/
前端模板

精品课程

更多
相关推荐
/
热门推荐
/
最新课程
C# 教程
C# 教程

共94课时 | 10.2万人学习

C 教程
C 教程

共75课时 | 5万人学习

C++教程
C++教程

共115课时 | 19.4万人学习

关于我们 免责申明 举报中心 意见反馈 讲师合作 广告合作 最新更新
php中文网:公益在线php培训,帮助PHP学习者快速成长!
关注服务号 技术交流群
PHP中文网订阅号
每天精选资源文章推送

Copyright 2014-2026 https://www.php.cn/ All Rights Reserved | php.cn | 湘ICP备2023035733号