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目录

无锁队列

目标

传统锁的缺点

无锁队列的做法

无锁队列的优势

适用场景

临界区/非临界区

无锁队列

代传统“加锁”队列的核心技术

目标

在多线程环境下，安全的传递数据，避免锁带来的性能损耗和风险

传统锁的缺点

• 开销巨大：加锁和解锁是重量级操作，涉及系统调用和线程切换，耗时可能是简单指令的几百倍。

• 优先级反转：低优先级线程拿到锁后，高优先级线程只能干等，导致关键任务被阻塞。

• 死锁风险：两个线程互相等待对方释放锁，程序直接卡死。

• 阻塞等待：线程拿不到锁就会进入休眠，唤醒又需要开销。在量化交易这种每微秒都重要的场景，这些延迟是不可接受的。

无锁队列的做法

原子操作+精细的内存管理

让多线程能够几乎并行地安全访问

核心原理

1. 使用原子操作：依赖CPU提供的“比较并交换”（CAS，即Compare-And-Swap）指令。这是一个不可中断的原子操作：先比较内存中的值是否和我预期的一致，如果是，就把它更新为新值；如果不是，就重试。这为无锁编程提供了底层基础。

2. 设计无锁的算法：基于CAS设计算法（它保证的是一条CPU指令（比如“比较并交换”）是不可分割的）。安全的连接新的节点，或移动队列的“头尾”指针，保证在任何时刻，队列都处于一致状态，不会因线程交错而损坏。

3. 总结：无锁队列的主要原理是对硬件进行原子操作，软件层面就是去使用它。

软件算法（无锁队列的实现逻辑） -> 调用原子库（std::atomic） -> 编译为CAS等CPU原子指令 -> 硬件执行，保证操作的原子性。

无锁队列的优势

• 极致低延迟：无锁队列用轻量的CPU指令代替了重量级的操作系统锁，延迟能从微秒级骤降至纳秒级，这在高频交易中优势巨大。

• 无死锁：因为根本上没使用锁，死锁风险自然不存在。

• 高鲁棒性：即便某个线程被系统暂停，也不会阻塞其他线程，系统整体稳定性更高。

适用场景

他的实现非常复杂，使用场景十分有限，只适合生产者、消费者这种简单的数据传递场景（数据传递量小的场景），对于复杂的操作（临界区很大，或者是操作时间很长），还是要用锁去处理。

无锁队列并不是用来替代所有锁，而在关键的数据路径上面，让数据的传递更高效。

所以无锁队列，它是会把一些数据传递的场景，去将从毫秒级优化到微秒级或者是纳秒级。

临界区/非临界区

临界区：一段访问共享资源（比如全局变量、队列、文件）的代码。这段代码不能被多个线程同时执行，否则程序就会出错。

锁的操作就是对这个临界区，进行这个加锁和解锁的操作，因为临界区内的资源是共享的资源，如果多个线程同时访问这个资源的话，就会有数据竞争的现象，所以临界区的资源必须是原子性操作

临界区的资源必须是原子性操作