无锁环ring是DPDK提供的一种较为基础的数据结构，其支持多生产者和多消费者同时访问。
经过我的经验，无锁结构的实现主要依靠两方面：

1. 最终的数据交换一定要是原子级的操作，最常用到的自然就是比较后交换（Compare And Swap，CAS）
2. 数据的实际写入与原子级的交换操作相分离

只是这么说可能不是很好理解，我们以我目前知道的两种实现方式，即RCU和DPDK ring的实现来举例子就好理解了。

CAS

首先我们需要之后CAS的原理，CAS共有三个输入，分别是将要修改的地址reg，reg中的原数据oldvalue，以及想要更新的新数据newvalue。

在CAS的执行流程如下：

1. 取出reg中的当前数据regvalue
2. 将regvalue与oldvalue进行比较
3. 如果二者相等说明在当前核读取数据到写入数据的这一段时间reg中的值没有被修改过，可以直接写入。CAS函数在写入后返回成功信号
4. 如果二者不等说明该数据已经被修改过了，当前核使用的数据有可能是错的，因此不会执行写入操作，并返回一个错误信号

上述的所有步骤均由一个原子级的CPU指令完成，在CAS失败时，通常需要用户重新读取新数据执行对应操作，再尝试执行一次CAS，直到写入成功为止。

RCU和无锁Ring

RCU和无锁Ring都是无锁通信的实现，二者在原理上有上述的类似却又不同，适用场景也不同。
首先，既然是CPU之间的通信，那么就一定会有数据被修改，加锁也只是为了保证写核在修改数据时不会被其他读核读取到数据。
而CAS恰恰就是一个原子级的操作，也就是说通过CAS在修改数据的时候，别的核是无法读取到对应数据的，也就是相当于自带加锁了。
那既然有了CAS为什么不能所有数据都这样写呢？因为种种原因（例如CPU指令集限制，以及需要比较的字节数等等），CAS只支持基本数据类型（int, bool）维度的操作。
那假如我要修改一个很长的结构体对象该怎么办呢？

RCU

原理

很自然的可以想到，我们可以先创建一个新的结构体对象，这个对象不会被任何其他核访问到，无论花多少时间都可以。
在对象创建好之后，我们取出他的指针，由于指针是基本数据类型，我们可以使用CAS完成一次狸猫换太子，将指向原来对象的指针替换成新对象的指针，这样之后的读核就会无感的访问到新对象了。
在完成指针更新之后，为了防止内存泄露，我们需要将原来的对象释放掉。
这里就需要注意一个问题，原来的数据结构可能还在被其他核所读取，冒然释放可能引发系统错误，因此我们要等所有读核都不在使用该地址再进行释放。
也就是说这块内存会额外存活一段时间，这段时间在RCU中就被成为宽限区，宽限区从写核修改指针开始，到所有读核读取结束为止。
为了让写核能够感知到释放内存的时间，需要为每一个对象内存添加一个引用计数。读核每次开始读取时引用计数加1，结束读取时引用计数减1，当引用计数为0就说明可以释放了。
至此我们已经掌握了RCU的基本原理。

特点

优点：对于读核来说无需进行任何加锁操作，只需要在开始读取和结束读取时修改一个引用计数，这一操作同样可以使用CAS实现。
缺点：拖慢写核的工作进程，同时需要额外的内存地址，无法做到原址修改。
因此RCU适合读多写少，并且不需要原址修改的场景中。

无锁Ring

原理

假如我们想要实现一个存储对象的循环队列，队列的底层是一个数组，自然需要在原址修改，此时RCU就不适用了，我们需要实现新的无锁方案。
为了利用CAS，我们需要找到能够代表一个对象的基本数据类型，那自然是对象在数组中的索引了。
在写入时，我们可以先修改队尾的下标地址，相当于在实际写入数据之前通告其他写核，这块地址已经被我占据了，你们不要再往里面写了，由于交换的只是一个索引，因此可以使用CAS。
在新下标确定之后，写核会对数据进行实际的写入，这里有一个问题，由于我们已经修改了队尾指针，那么虽然其他写核访问不到这片内存，但是现在其他读核可以了啊。
解决方法也很简单粗暴，我们再加一个索引就好了。新加的索引在没有写操作进行时指向与队尾相同的位置，在开始写入时不变，写入结束时再与队尾同步，只要让读核所看到的队尾一直是该索引即可。
当然，上述讨论的只是多生产者单消费者的情况，如果是多生产者多消费者，那么我们需要为队头也创建一个额外的索引，其余原理其实都相同。
至此，我们就掌握了无锁循环队列的基本原理。

DPDK实现

下图展示的是DPDK中无锁Ring的基本结构，其中prod_head和prod_tail分别上述的队尾指针和队尾额外指针，同样cons_head和cons_tail也是队头指针和队头额外指针。
对于生产者来说，它在任意时刻看到的队列实际是prod_head到cons_tail，而对消费者来说，其看到的队列始终是prod_tail和cons_head。

DPDK Ring单生产者入队流程

下面是单生产者的入队流程，我们已经介绍过了
需要注意的是，local variables中的prod_head核prod_next分别是CAS操作中的oldvalue和newvalue，而队列中的prod_head则是reg。
第一步：读取原始prod_head，根据入队数量计算新的prod_head，即prod_next

第二步：通过CAS修改prod_head，占据内存

第三步：实际写入数据，并使用CAS修改prod_tail

DPDK Ring多生产者入队流程

第二步：先提交的核完成CAS占据内存，后提交的CAS失败，重新读取prod_head并计算prod_next

第三步：core1开始写入数据，core2重新CAS成功

第四步：core2写入数据，core1通过CAS修改prod_tail

第五步：core2修改prod_tail，至此多生产者入队结束。

由于消费者出队的操作与生产者入队几乎完全相同，在此不做赘述，可以参考https://dpdk-docs.readthedocs.io/en/latest/prog_guide/ring_lib.html

优点：可以原址修改，支持批量入队和出队，也就是可以通过一次CAS占据大片内存，这都是RCU做不到的。如果使用CAS直接操作内存地址队列，也做不到批量操作。
缺点：内存空间需要预先分配，不像RCU使用是才申请，比较费内存。

进程间通信

通过Ring和mempool的结合使用还可以实现进程间的通信，原理与共享内存类似，DPDK在创建Primary Process时会将使用的大页内存的详细信息记录到文件中，在启动Secondary Process时会读取这些信息，这样就能实现类似共享内存的效果。
在两个进程内都需要调用rte_eal_init初始化DPDK环境。
在一个进程内创建Ring和Mempool，在另一个进程内调用rte_ring_lookup和rte_mempool_lookup函数获取对应的Ring和Mempool。
通信时，一个进程从Mempool中取一个元素，放入Ring中，另一个进程从Ring中取出，处理完之后再放回Mempool即可。