How to reduce cache miss in SPSC queue pop function?

I am working on optimizing a Single Producer Single Consumer (SPSC) queue in C++. The following is the miniman reproducible example for my implementation:

#include <atomic>
#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <thread>

struct Queue {
    alignas(64) std::atomic<size_t> write_index; // Align to cache line size
    alignas(64) std::atomic<size_t> read_index;  // Align to cache line size
    int* data;
    size_t capacity;

    Queue(size_t cap) : write_index(0), read_index(0), capacity(cap + 1) {
        data = new int[capacity];
    }

    ~Queue() {
        delete[] data;
    }

    bool push(int val) {
        size_t write_index_local = write_index.load(std::memory_order_relaxed);
        size_t next_write_index = (write_index_local + 1) % capacity;

        if (next_write_index == read_index.load(std::memory_order_acquire)) {
            // Queue is full
            return false;
        }

        data[write_index_local] = val;
        write_index.store(next_write_index, std::memory_order_release);
        return true;
    }

    bool pop(int& val) {

        const size_t write_index_local = write_index.load(std::memory_order_acquire);
        const size_t read_index_local = read_index.load(std::memory_order_relaxed);

        if (read_index_local == write_index_local) {
            // Queue is empty
            return false;
        }


        val = data[read_index_local];
        size_t next_read_index = (read_index_local + 1) % capacity;
        read_index.store(next_read_index, std::memory_order_release);

        return true;
    }
};

void producer(Queue& queue) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        while (!queue.push(i)) {
            // Busy-wait until there is space in the queue
        }
        std::cout << "Pushed: " << i << std::endl;
    }
}

void consumer(Queue& queue) {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        int val;
        while (!queue.pop(val)) {
            // Busy-wait until there is an item to pop
        }
        std::cout << "Popped: " << val << std::endl;
    }
}

int main() {
    Queue queue(10); // Create a queue with capacity 10 (internally 11)

    std::thread producer_thread(producer, std::ref(queue));
    std::thread consumer_thread(consumer, std::ref(queue));

    producer_thread.join();
    consumer_thread.join();

    return 0;
}

I’m observing two cache misses in pop function:

When fetching the write_index.
When fetching the data at read_index.
I want to optimize this to reduce the number of cache misses. Whenever write_index is changed, pop function has to fetch both write_index and the data. Ideally, I would like to fetch both the write_index and the data at the same time, to avoid cache miss while fetching data.

I thought about using prefetching techniques, but I’m not sure about the best approach for this scenario.

Is it possible to fetch both write_index and data at read_index together?
Are there any specific data layout strategies or memory order considerations that can help in minimizing cache misses in this context?

New contributor

Rishi Jain is a new contributor to this site. Take care in asking for clarification, commenting, and answering.
Check out our Code of Conduct.

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật