一种针对Linux系统的优化无锁队列方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地说，本发明涉及一种针对Linux系统的优化无锁队列方法。

背景技术

在多进程的Linux系统中,进程间通信(IPC)的效率对系统整体性能至关重要。无锁队列通常被用来在进程间安全地共享数据。目前传统的队列中进程A要入队,需要先获取一个互斥锁,再修改尾指针入队，进程B要出队,也需要先获取互斥锁,再修改头指针出队，加锁使得进程串行化访问队列,一个时间只能有一个进程，这种串行访问限制了并发性和扩展性，有必要优化针对Linux进程间通信的无锁队列算法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对Linux系统的优化无锁队列方法，其用于快速可扩展的进行进程间的通信。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种针对Linux系统的优化无锁队列方法，其改进之处在于，包括以下步骤：

S10、创建无锁队列，多个进程在Linux系统中通信和共享数据，无锁队列的头尾指针指向缓冲区内存；

S20、当一个进程需要添加数据到无锁队列时,使用原子指令来更新无锁队列的头指针；

S30、当一个进程需要从无锁队列中取出数据时，使用原子指令来更新无锁队列的尾指针。

上述技术方案中所述的步骤S20和步骤S30中采用LDREX和STREX原子指令，所述LDREX原子指令用于从内存地址独占的加载数据，所述STREX原子指令用于尝试写数据到内存，如果在LDREX和STREX之间内存地址没有被修改,则成功。

上述技术方案中所述步骤S20和步骤S30中采用LDREX和STREX原子指令的方法包括以下步骤：

S21、当进程添加数据到无锁队列时，使用LDREX加载无锁队列尾指针,将新数据写入该位置,然后用STREX写入新的尾指针。如果成功了,说明原子地完成了入队操作；

S22、当进程从无锁队列中取出数据时，使用LDREX加载无锁队列头指针,从该位置取数据,用STREX写入头指针，如果成功了,说明原子地完成了出队；

S23、如果STREX写入失败,说明有竞争,则重新加载指针进行重试；通过多次重试,进程最终可以无锁地完成入队和出队。

上述技术方案中所述的无锁队列采用一个环形缓冲区,通过头尾指针定位。

上述技术方案中所述的头尾指针移动至缓冲区末端时又回到开头，头指针指向的位置为队列出队数据,尾指针为入队位置。

上述技术方案中所述的头尾指针移动至缓冲区末端时又回到开头，头指针指向的位置为队列出队数据,尾指针为入队位置。

上述技术方案中所述的头尾指针使用volatile关键字防止编译器优化。

上述技术方案中所述的缓冲区内存对齐到缓存行大小。

本发明的有益效果是：本发明提供的针对Linux系统的优化无锁队列方法，通过原子操作,避免了互斥锁的限制，进程可以并发地访问队列,大大提高效率，利用多核优势,可以扩展到更多进程，自适应逻辑让队列动态平衡负载。

附图说明

图1为本发明一种针对Linux系统的优化无锁队列方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

参照图1，如图所示的，本发明提供了一种针对Linux系统的优化无锁队列方法，包括以下步骤：

S10、创建无锁队列，多个进程在Linux系统中通信和共享数据，无锁队列的头尾指针指向缓冲区内存。

S20、当一个进程需要添加数据到无锁队列时,使用原子指令来更新无锁队列的头指针。

S30、当一个进程需要从无锁队列中取出数据时，使用原子指令来更新无锁队列的尾指针。

其具体工作流程为：多个进程需要在Linux系统中通信和共享数据，传统的方法是使用互斥锁来同步不同进程的访问,但这会限制效率和扩展性，本发明的无锁队列提供了一种更高效的进程间通信机制，当一个进程需要添加数据到队列时,它使用特殊的CPU原子指令来更新队列的头指针,不需要获得互斥锁，同样,取数据的进程可以使用原子指令从队列尾更新指针,也无需互斥锁，通过精心设计的数据结构和原子操作,多个进程可以并发地、无锁地访问队列，系统持续监控数据,做出自适应调整,比如在多个队列间平衡负载，最终结果是一个高性能、可扩展的进程间通信机制,避免了锁的开销，像一个管道一样,进程可以快速地向队列写入数据,其他进程立刻从队列取出数据进行处理，对于Linux多核和多进程环境下,这个队列机制是一个高效的IPC优化。这个优化的无锁队列使得Linux在高核心COUNT和负载下具有高效的IPC。它为现有的并发队列提供了一个优化的drop-in替代。

本发明通过原子操作,避免了互斥锁的限制，进程可以并发地访问队列,大大提高效率，利用多核优势,可以扩展到更多进程，自适应逻辑让队列动态平衡负载。

进一步的，所述的步骤S20和步骤S30中采用LDREX(Load Exclusive)和STREX(Store Exclusive)原子指令，所述LDREX原子指令用于从内存地址独占的加载数据，所述STREX原子指令用于尝试写数据到内存，如果在LDREX和STREX之间内存地址没有被修改,则成功。

其中步骤S20和步骤S30中采用LDREX和STREX原子指令的方法包括以下步骤：

S21、当进程添加数据到无锁队列时，使用LDREX加载无锁队列尾指针,将新数据写入该位置,然后用STREX写入新的尾指针。如果成功了,说明原子地完成了入队操作。

S22、当进程从无锁队列中取出数据时，使用LDREX加载无锁队列头指针,从该位置取数据,用STREX写入头指针，如果成功了,说明原子地完成了出队。

S23、如果STREX写入失败,说明有竞争,则重新加载指针进行重试。通过多次重试,进程最终可以无锁地完成入队和出队。

另外可以进一步优化,比如使用CAS(Compare And Swap)指令。相比互斥锁,这种基于LDREX/STREX的实现可以无阻塞地并发入队和出队,避免了锁的开销,提高了多核ARM系统的扩展性。

另外本发明中关于数据结构采用的如下设计：

无锁队列采用一个环形缓冲区,通过头尾指针定位。缓冲区内存对齐到缓存行大小,这样可以避免伪共享问题，使用环形设计,头尾指针移动至缓冲区末端时又回到开头，头指针指向的位置为队列出队数据,尾指针为入队位置。当头尾指针相同时,则为空或满。通过增量法可以判断。头尾指针变量本身也需要是原子的,通常会使用整数类型,或者原子类型。另外指针需要使用volatile关键字防止编译器优化。入队和出队逻辑需要基于原子操作如CMPXCHG实现。

通过该数据结构，多个消费者进程可以并发出队,多个生产者进程并发入队，配合CPU提供的原子读写操作,可以实现一个高效的无锁队列,使多个进程之间快速地并发交换数据。

综上所述的，本发明提供的方法采用新颖的无等待enqueue算法,使用原子操作实现同步而不需要锁。这使得从多个进程能低延迟并发enqueue。使用工作窃取法的dequeue逻辑,在处理器间分配dequeue操作以提高并发性。dequeue可以从队列两端原子操作opportunistically。缓存优化的数据结构和内存分配,提升局部性并减少伪共享。队列元素对齐到缓存行。支持暂时的元素重新排序,但避免元素丢失或重复。增加吞吐量。自适应控制逻辑,基于实时争用指标在多个队列实例间动态平衡负载。这些优化使得enqueue/dequeue具有超低延迟,最大化LinuxIPC的吞吐量和可扩展性。与基于锁的队列相比,无锁设计减少了上下文切换开销。持续的基于指标的自适应确保随负载变化保持最佳并发。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。