参考资料： https://github.com/cameron314/readerwriterqueue

简介

项目名称: readerwriterqueue 作者: cameron314 类型: C++ 无锁队列库 核心库文件: readerwriterqueue.h， atomicops.h 命名空间: moodycamel

这是一个高性能、专注于 SPSC 场景、设计精良的 C++11 无锁队列实现。它通过模板化、预先内存分配、无等待算法以及针对现代处理器的优化，旨在提供极致性能。同时提供了阻塞版本以满足不同同步需求。集成简单，文档清晰，适合需要低延迟、高吞吐量数据传输的并发编程场景。使用时需注意其线程角色固定以及阻塞 API 的生命周期约束。

核心特性与设计

1. 单生产者单消费者 (SPSC)： 专为两个固定角色的线程（一个生产，一个消费）设计的高性能场景。
2. 无锁 (Lock-Free)： 避免使用互斥锁，通过原子操作实现线程安全，减少上下文切换和竞争开销。
3. 完全通用模板： 像 std::queue 一样，可容纳任意类型，内部管理内存。
4. 预先分配连续内存： 提升缓存效率。支持初始容量设置 (ReaderWriterQueue<int> q(100))。
5. 动态扩容： enqueue 方法在队列满时可自动扩容。
6. 非分配入队： try_enqueue 保证在初始容量内不进行内存分配，适合实时性要求高的场景。
7. 原地构造： 支持 try_emplace/emplace，避免不必要的拷贝或移动。
8. 完全无等待 (Wait-Free)： 每个入队/出队操作都有确定性的、有限的步骤完成（O(1)），无忙等循环。
9. 高效内存屏障： 在 x86 等强内存模型架构上，编译为高效指令（或空操作）。
10. 窥视功能: peek() 允许消费者查看队首元素而不出队。

提供的队列类型

1. ReaderWriterQueue<T>： 基础的 SPSC 无锁队列。
2. BlockingReaderWriterQueue<T>： 阻塞版本，增加了 wait_dequeue 和 wait_dequeue_timed 方法，消费者在队列为空时可阻塞等待。
3. BlockingReaderWriterCircularBuffer<T>： 固定容量的阻塞环形缓冲区，同时提供 wait_enqueue 和 wait_dequeue，使得生产者和消费者在队列满/空时都可阻塞。

使用要点

• 编译器要求: C++11 及以上。GCC >= 4.7， MSVC >= 2010。
• 基本API:
  • 非阻塞: enqueue, try_enqueue, try_dequeue, peek
  • 阻塞: wait_dequeue, wait_dequeue_timed (仅阻塞版本)
• 内存与生命周期警告:
  • 使用 wait_dequeue 时必须确保队列最终会有新元素，或者队列对象本身不会被提前销毁，否则会导致未定义行为。
• 平台要求： 依赖对齐整数/指针访问的原子性。适用于所有现代主流架构（x86, ARM, PowerPC）。未在弱内存模型（如 DEC Alpha）上测试。

集成方式

1. 直接包含头文件： 最简单，将 .h 文件放入项目。
2. CMake FetchContent： 现代 CMake 项目推荐方式，可自动下载和管理依赖。
3. 系统安装： 通过 CMake 安装到系统目录，然后像标准库一样 #include <readerwriterqueue/readerwriterqueue.h>。

项目结构

根据文档内容，该项目包含以下主要功能模块：

核心队列模块

1. ReaderWriterQueue（基础 SPSC 队列）

• 核心功能：单生产者、单消费者的无锁队列
• 特性：
  • 完全无锁且等待无关
  • 内存预分配，支持固定容量
  • 提供 try_enqueue/try_dequeue 非阻塞方法
  • 提供 enqueue/dequeue 可能动态扩容的方法
  • 支持 C++11 移动语义
  • 提供 peek() 方法查看队首元素

2. BlockingReaderWriterQueue（阻塞队列）

• 核心功能：在基础队列上增加阻塞功能
• 特性：
  • 继承基础队列的所有特性
  • 新增 wait_dequeue() 方法：完全阻塞等待，直到有元素可出队
  • 新增 wait_dequeue_timed() 方法：支持超时的阻塞等待
  • 注意：队列销毁时不能有线程在等待

3. BlockingReaderWriterCircularBuffer（阻塞环形缓冲区）

• 核心功能：固定容量的阻塞环形缓冲区
• 特性：
  • 固定容量，不会动态扩容
  • 支持阻塞入队和出队
  • 新增 wait_enqueue()：阻塞等待直到有空槽位
  • 新增 wait_enqueue_timed()：带超时的阻塞入队
  • 同样支持 peek() 和 try_pop() 操作

支持模块

4. 原子操作抽象层（atomicops.h）

• 功能：平台特定的原子操作和内存屏障抽象
• 支持平台：
  • GCC/Clang 的 __atomic_thread_fence
  • MSVC 的 _ReadWriteBarrier
  • ICC 的内置函数
• 目的：确保跨编译器的内存顺序一致性

5. 构建与集成模块

• CMake 支持：提供现代 CMake 集成方式
• 两种使用模式：
  • 直接包含头文件（最简单）
  • 通过 CMake 的 FetchContent 或系统安装

辅助模块

6. 测试套件（tests 目录）

• 包含各种使用场景的测试
• 确保队列在不同条件下的正确性

7. 性能基准测试（benchmarks 目录）

• 提供性能对比测试
• 帮助用户评估队列在不同场景下的性能表现

源码阅读

atomicops.h

atomicops.h 是一个跨平台的原子操作和同步原语实现库。

ReaderWriterQueue

BlockingReaderWriterQueue

BlockingReaderWriterCircularBuffer