多生产者多消费者无锁（甚至无等待）队列

Question

我正在寻找有关如何将 MP/MC 队列编写为无锁甚至无等待的文档。我正在使用.Net 4.0。发现了很多C++代码，但我对内存模型不是很熟悉，所以移植到C#时很有可能会引入一些bug。

Answer 1

作为一个可供考虑的选项，有一种有界算法多生产者多消费者队列，作者：Dmitry Vyukov。我已将该算法移植到 .NET，您可以在 github 上找到源代码。速度非常快。

入队算法：

public bool TryEnqueue(object item)
{
    do
    {
        var buffer = _buffer; // prefetch the buffer pointer
        var pos = _enqueuePos; // fetch the current position where to enqueue the item
        var index = pos & _bufferMask; // precalculate the index in the buffer for that position
        var cell = buffer[index]; // fetch the cell by the index
        // If its sequence wasn't touched by other producers
        // and we can increment the enqueue position
        if (cell.Sequence == pos && Interlocked.CompareExchange(ref _enqueuePos, pos + 1, pos) == pos)
        {
            // write the item we want to enqueue
            Volatile.Write(ref buffer[index].Element, item);
            // bump the sequence
            buffer[index].Sequence = pos + 1;
            return true;
        }

        // If the queue is full we cannot enqueue and just return false
        if (cell.Sequence < pos)
        {
            return false;
        }

        // repeat the process if other producer managed to enqueue before us
    } while (true);
}

出队算法：

public bool TryDequeue(out object result)
{
    do
    {
        var buffer = _buffer; // prefetch the buffer pointer
        var bufferMask = _bufferMask; // prefetch the buffer mask
        var pos = _dequeuePos; // fetch the current position from where we can dequeue an item
        var index = pos & bufferMask; // precalculate the index in the buffer for that position
        var cell = buffer[index]; // fetch the cell by the index
        // If its sequence was changed by a producer and wasn't changed by other consumers
        // and we can increment the dequeue position
        if (cell.Sequence == pos + 1 && Interlocked.CompareExchange(ref _dequeuePos, pos + 1, pos) == pos)
        {
            // read the item
            result = Volatile.Read(ref cell.Element);
            // update for the next round of the buffer
            buffer[index] = new Cell(pos + bufferMask + 1, null);
            return true;
        }

        // If the queue is empty return false
        if (cell.Sequence < pos + 1)
        {
            result = default(object);
            return false;
        }

        // repeat the process if other consumer managed to dequeue before us
    } while (true);
}

Answer 2

为什么你认为你需要无锁队列？您是否尝试过使用 ConcurrentQueue，可能包含在 BlockingCollection？

编写多线程代码很困难。编写无锁代码更加困难，除非确实必要，否则您不应该自己编写。

Answer 3

我的第一个选择是使用 ConcurrentQueue，但您可以将数据存储抽象到接口后面，以便可以轻松更改实现。然后对典型场景进行基准测试，看看在哪里遇到问题。请记住：过早的优化是万恶之源。设计您的系统，使其不依赖于实现，而是依赖于合同，然后您可以根据需要优化您的实现。

我用 ILSpy 查看了 ConcurrentQueue ，乍一看似乎是一个无锁实现 - 很有可能它正是您正在寻找的东西。