⑴问题形貌
在多线程环境下，原始队列会出现各种不可预料的问题。以两个线程同时写入为例，假设线程 A 和线程 B 同时对原始队枚举行写入操作。首先看原始队列的入队伪代码：void Enqueue(Node *node){m_Tail->next = node;m_Tail = node;}，这个操作分为两步。当两个线程同时执行时，可能出现这样的环境：线程 A 执行完第一步m_Tail->next = nodeC后，线程 B 开始执行并完成了整个入队操作，接着线程 A 继续执行第二步m_Tail = nodeB，这就导致了 Tail 指针失去与队列的链接，后加的节点从 Head 开始就访问不到了。这种环境会使得队列的状态变得混乱，无法包管数据的正确存储和读取。 ⑵解决方法
为了解决上述问题，可以使用原子操作实现无锁同步。原子操作是不可分割的操作，CPU 的一个线程在执行原子操作时，不会被其他线程中断或抢占。其中，典范的原子操作有 Load / Store（读取与生存）、Test and Set（针对 bool 变量，假如为 true 则返回 true，假如为 false，则将变量置为 true 并返回 false）、Clear（将 bool 变量设为 false）、Exchange（将指定位置的值设置为传入值，并返回其旧值）等。
而 CAS（Compare And Swap）在实现无锁同步中起着关键作用。CAS 操作包含三个参数：一个内存地址 V、一个期望值 A 和一个新值 B。当执行 CAS 操作时，假如当前内存地址 V 中存储的值等于期望值 A，则将新值 B 写入该内存地址，并返回 true；否则，不做任何修改，并返回 false。在无锁队列中，可以使用 CAS 操作来确保对 Head 或 Tail 指针的读写操作是原子性的，从而制止多线程同时写入或读取时出现的指针混乱问题。比方，在入队操作中，可以使用 CAS 来确保在更新 Tail 指针时，不会被其他线程干扰。假如当前 Tail 指针指向的节点的_next指针与期望值不同等，说明有其他线程举行了写入操作，此时可以重新实行 CAS 操作，直到成功为止。这样就可以实现无锁队列的安全写入和读取操作。
2.3原子操作详解
原子操作是无锁队列实现的基础。在计算机科学中，原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，一旦开始，就会不绝运行到竣事，中间不会发生上下文切换到另一个线程的环境 。这意味着在多线程环境下，多个线程对共享资源的原子操作是互斥的，不会出现数据竞争或不同等的问题。
常见的原子操作类型包括原子读（Atomic Read）、原子写（Atomic Write）、原子加（Atomic Add）、原子减（Atomic Subtract）以及原子比较交换（Atomic Compare and Swap，即 CAS）等 。原子读和原子写操作包管了对内存中数据的读取和写入是原子性的，不会出现读取或写入一半数据的环境。而原子加和原子减操作则常用于对共享计数器等资源的操作，确保在多线程环境下计数器的增减操作是安全的。
在 C++ 中，原子操作可以通过<atomic>头文件来实现。<atomic>头文件提供了一系列的原子类型和原子操作函数，比方std::atomic<int>表现一个原子整型，std::atomic<bool>表现一个原子布尔型等。通过这些原子类型，我们可以方便地在多线程环境下举行原子操作，比方：
#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic<int> counter(0);
void increment() {
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
counter++;
}
}
int main() {
std::thread t1(increment);
std::thread t2(increment);
t1.join();
t2.join();
std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;
return 0;
}
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在上述代码中，counter是一个原子整型变量，counter++操作是一个原子操作，因此在多线程环境下，两个线程对counter的递增操作不会出现数据竞争的问题，最终输出的结果是正确的。
2.4Compare - And - Swap（CAS）操作
CAS 操作是无锁队列实现的核心技能之一。它是一种原子的比较并交换操作，包含三个参数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B） 。其工作原理是：首先检查内存位置 V 的值是否等于预期原值 A，假如相称，则将内存位置 V 的值更新为新值 B，否则不举行任何操作。整个过程是原子性的，即不会被其他线程干扰。
在无锁队列中，CAS 操作起着关键作用。以入队操作为例，假设当前有两个线程同时实行将元素入队。每个线程都会先获取队列尾指针的当前值（即预期原值 A），然后实行将新元素链接到尾指针的背面，并将尾指针更新为新元素的位置（即新值 B） 。在这个过程中，只有一个线程的 CAS 操作会成功，由于只有当尾指针的当前值等于该线程获取的预期原值 A 时，CAS 操作才会将尾指针更新为新值 B。假如另一个线程在第一个线程执行 CAS 操作之前已经更新了尾指针，那么第二个线程的 CAS 操作就会失败，由于此时尾指针的当前值已经不等于它获取的预期原值 A 了。
在 C++ 中，<atomic>头文件中的compare_exchange_weak和compare_exchange_strong函数提供了 CAS 操作的实现。compare_exchange_weak函数在某些环境下可能会出现 “伪失败”，即固然内存位置的值与预期原值相称，但函数仍旧返回失败，这是由于硬件实现的限制 。而compare_exchange_strong函数则包管不会出现 “伪失败”，但在某些平台上可能效率稍低。下面是一个使用compare_exchange_weak函数实现的简单示例：
#include <iostream>
#include <atomic>
std::atomic<int> value(5);
int main() {
int expected = 5;
int new_value = 10;
if (value.compare_exchange_weak(expected, new_value)) {
std::cout << "Value was not updated. Current value is " << value << std::endl;
}
return 0;
}
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在上述代码中，value.compare_exchange_weak(expected, new_value)实行将value的值从expected（初始值为 5）更新为new_value（值为 10）。假如value的值当前确实为 5，那么更新操作会成功，输出 “Value updated successfully to 10”；否则，输出 “Value was not updated. Current value is ” 加上当前value的值。
（1）GGC对CAS支持，GCC4.1+版本中支持CAS原子操作。
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...);
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...);
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（2）Windows对CAS支持，Windows中使用Windows API支持CAS。
LONG InterlockedCompareExchange(
LONG volatile *Destination,
LONG ExChange,
LONG Comperand
);
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（3）C11对CAS支持，C11 STL中atomic函数支持CAS并可以跨平台。
template< class T >
bool atomic_compare_exchange_weak( std::atomic* obj,T* expected, T desired );
template< class T >
bool atomic_compare_exchange_weak( volatile std::atomic* obj,T* expected, T desired );
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别的原子操作如下：
Fetch-And-Add：一样平常用来对变量做+1的原子操作
Test-and-set：写值到某个内存位置并传回其旧值
2.5无锁队列的实现思路
无锁队列的实现通常基于链表或数组结构，并团结 CAS 操作来实现线程安全的入队和出队操作。
基于链表的无锁队列，每个节点包含数据和指向下一个节点的指针。入队操作时，线程首先创建一个新节点，然后通过 CAS 操作将新节点链接到队列的尾部。详细来说，线程先获取尾指针的当前值，实行将新节点的指针指向尾指针的下一个节点（初始时为nullptr），并通过 CAS 操作将尾指针更新为新节点 。假如 CAS 操作失败，说明尾指针在这期间被其他线程更新了，线程需要重新获取尾指针并再次实行。
出队操作时，线程首先检查头指针的下一个节点是否存在（由于头指针通常是一个哑节点，不存储现实数据）。假如存在，线程实行通过 CAS 操作将头指针更新为下一个节点，从而实现出队 。假如 CAS 操作失败，说明头指针在这期间被其他线程更新了，线程需要重新检查并实行。
下面是一个简化的基于链表的无锁队列的 C++ 实现示例：
} while (!head.compare_exchange_weak(oldHead, next));
result = std::move(next->data);
delete oldHead;
return true;
}
};
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在上述代码中，LockFreeQueue类实现了一个基于链表的无锁队列。enqueue方法用于将元素入队，dequeue方法用于将元素出队。在enqueue方法中，通过循环和 CAS 操作确保新节点能够正确地添加到队列尾部；在dequeue方法中，同样通过循环和 CAS 操作确保能够安全地从队列头部取出元素。
基于数组的无锁队列，通常采用循环缓冲区（Circular Buffer）的方式实现。数组被视为一个环形结构，通过两个指针（头指针和尾指针）来表现队列的开始和竣事位置 。入队时，线程通过 CAS 操作更新尾指针，并将元素放入相应位置；出队时，线程通过 CAS 操作更新头指针，并取出对应位置的元素。
下面是一个简化的基于数组的无锁队列的 C++ 实现示例：
在上述代码中，CircularLockFreeQueue类实现了一个基于数组的环形无锁队列。enqueue方法用于将元素入队，通过检查尾指针的下一个位置是否为头指针来判断队列是否已满，假如未满则将元素放入相应位置并更新尾指针；dequeue方法用于将元素出队，通过检查头指针是否等于尾指针来判断队列是否为空，假如不为空则取出对应位置的元素并更新头指针。
无论是基于链表还是数组的无锁队列，其核心头脑都是使用原子操作和 CAS 机制来确保在多线程环境下的安全和高效。但在现实应用中，还需要考虑诸如 ABA 问题（即一个值从 A 变为 B，再变回 A，CAS 操作可能会误判）等复杂环境，通常可以通过引入版本号或其他机制来解决 。
三、C++中无锁队列的实现方式
} while (!head.compare_exchange_weak(oldHead, next));
result = std::move(next->data);
delete oldHead;
return true;
}
};
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在上述代码中，LockFreeQueue类实现了一个基于链表的无锁队列。enqueue方法用于将元素入队，dequeue方法用于将元素出队。在enqueue方法中，通过循环和 CAS 操作确保新节点能够正确地添加到队列尾部；在dequeue方法中，同样通过循环和 CAS 操作确保能够安全地从队列头部取出元素。
3.3基于数组的无锁队列实现
基于数组的无锁队列通常采用循环缓冲区（Circular Buffer）的方式实现。这种方式将数组视为一个环形结构，通过两个指针（头指针和尾指针）来表现队列的开始和竣事位置，使用原子操作实现多线程安全的入队和出队操作。以下是一个简化的基于数组的无锁队列的 C++ 实现示例：
