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LockFreeQueue（无锁队列）

LibXR::LockFreeQueue<T> 是一个高性能单生产者多消费者（SPMC）无锁队列，适用于实时性要求高、并发访问频繁的嵌入式系统中。

类结构与原理​

  • 使用原子变量 head_ 和 tail_ 管理队列索引。
  • 所有操作使用 C++11 原子内存序保证线程安全。
  • 环形缓冲结构支持批量读写，避免频繁中断。
  • 多个消费者可以并发 Pop，生产者唯一。

特性概览​

特性支持
单生产者✅
多消费者✅
批量操作✅
Peek/Pop 分离✅
动态容量❌（固定容量）
无锁保证✅（C++11 atomic）

接口函数​

构造与销毁​

  • LockFreeQueue(size_t length)（包含动态内存分配；length 会按 LIBXR_ALIGN_SIZE 做对齐修正，最终逻辑容量以 MaxSize() 为准）
  • ~LockFreeQueue()

数据操作​

  • ErrorCode Push(const T&)
  • ErrorCode Pop(T&)
  • ErrorCode Pop()（丢弃头部元素）
  • ErrorCode Peek(T&)
  • T* operator[](uint32_t index)

批量操作​

  • PushBatch(const T* data, size_t size)
  • PopBatch(T* data, size_t size)
  • PeekBatch(T* data, size_t size)

工具接口​

  • Size()：当前元素数量
  • EmptySize()：剩余空间
  • MaxSize()：最大容量（元素个数）
  • Reset()：重置队列为空

使用示例​

LibXR::LockFreeQueue<int> q(128);
q.Push(10);

int value;
if (q.Pop(value) == LibXR::ErrorCode::OK) {
    // 使用 value
}

注意事项​

  • 仅适用于 单生产者 场景，多生产者需使用外部同步或其他队列方案。
  • 容量固定，构造时需明确所需大小。
  • 队列对象与 head_ / tail_ 使用 cache line 对齐（alignas(LIBXR_CACHE_LINE_SIZE)），可减少伪共享带来的性能损失。
  • operator[] 返回的是底层数组槽位地址，主要用于调试或特殊用途。
  • 为满足对齐与实现需要，实际分配的队列容量可能大于构造入参 length；最终可用的逻辑容量以 MaxSize() 为准。

适用场景​

  • 中断与任务线程间的数据通信
  • 实时日志收集
  • 多线程传感器数据采样