高效的线程安全队列ConcurrentQueue<T>(上)

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ConcurrentQueue<T>队列是一个高效的线程安全的队列，是.Net Framework 4.0，System.Collections.Concurrent命名空间下的一个数据结构。

ConcurrentQueue<T>数据结构

下图是ConcurrentQueue<T>数据结构的示意图：

ConcurrentQueue<T>队列由若干Segment动态构成，每个Segment是一块连续的内存Buffer，大小固定为SEGMENT_SIZE。

ConcurrentQueue<T>私有成员变量

ConcurrentQueue<T>类有三个私有成员变量：

Segment* volatile m_head;

Segment* volatile m_tail;

Segment* volatile m_base;

m_head指向第一个segment，m_tail指向最后一个segment。这两个指针指向的对象，随着入队列和出队列操作而不断变化。

m_base指针固定指向ConcurrentQueue<T>实例化的第一个Segment，在析构ConcurrentQueue<T>对象时使用。

ConcurrentQueue<T>成员方法

void Enqueue(T item)

void Enqueue(T item)
{
	DNetSpinWait wait;
	while (!m_tail->TryAppend(item, &m_tail))
	{
		wait.SpinOnce();
	}
}

从m_tail指向的segment中，加入item的值，直到成功加入，函数返回。 

该函数会在分配了新的segment后，更新m_tail指针。

bool TryDequeue(T* result)

bool TryDequeue(T* result)
{

	while (!IsEmpty())
	{
		if (m_head->TryRemove(result, &m_head))
		{
			return true;
		}   
	}
	result = NULL;
	return false;
}

如果当前队列为空，返回false，否则返回队列的第一个元素。

bool TryPeek(T* result)

bool TryPeek(T* result)
{
	while (!IsEmpty())
	{
		if (m_head->TryPeek(result))
		{
			return true;
		}
	}
	result = NULL;
	return false;
}

跟TryDequeue()方法相似。

int Count()

int Count() 
{
	Segment* segment;
	Segment* segment2;
	int num;
	int num2;
	GetHeadTailPositions(&segment, &segment2, &num, &num2);
	if (segment == segment2)
	{
		return ((num2 - num) + 1);
	}
	int num3 = SEGMENT_SIZE - num;
	num3 += SEGMENT_SIZE * (((int) (segment2->GetIndex() - segment->GetIndex())) - 1);
	return (num3 + (num2 + 1));
}

通过得到当前首尾的segment指针，以及首指针的m_low索引，以及尾指针的m_high索引，计算当前队列中元素的个数。

该方法用到了GetHeadTailPositions方法。

bool IsEmpty()

bool IsEmpty()
{
	Segment* head = m_head;
	if (head->IsEmpty())
	{
		if (head->GetNext() == NULL)
		{
			return true;
		}
		DNetSpinWait wait;
		while (head->IsEmpty())
		{
			if (head->GetNext() == NULL)
			{
				return true;
			}
			wait.SpinOnce();
			head = m_head;
		}
	}
	return false;
}

判定当前队列为空有两个条件，第一，m_head指向的segment为空；第二，m_head->GetNext()也为空，即m_head和m_tail指向同一个segment。

void Reset()

void Reset()
{
	DeleteNodes();
	m_base = m_head = m_tail = new Segment(0);
}

重置ConcurrentQueue<T>对象，删除已经分配了的segment，并重新更新成员变量的值。

void GetHeadTailPositions(Segment** head, Segment** tail, int* headLow, int* tailHigh)

void GetHeadTailPositions(Segment** head, Segment** tail, int* headLow, int* tailHigh)
{
	*head = m_head;
	*tail = m_tail;
	*headLow = (*head)->GetLow();
	*tailHigh = (*tail)->GetHigh();
	DNetSpinWait wait;
	while ((((*head != m_head) || (*tail != m_tail)) || 
		((*headLow != (*head)->GetLow()) || (*tailHigh != (*tail)->GetHigh()))) || 
		((*head)->GetIndex() > (*tail)->GetIndex()))
	{
		wait.SpinOnce();
		*head = m_head;
		*tail = m_tail;
		*headLow = (*head)->GetLow();
		*tailHigh = (*tail)->GetHigh();
	}
}

该函数就是将队列当前的m_head, m_tail指针以及m_head的m_low索引，m_tail的m_high索引取出来，放到线程栈上。并且在取出这些值后，再判断这些值是否合法。

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