低延迟撮合引擎（C++20）

本项目为用 C++20 从零实现的交易所撮合引擎核心组件，聚焦于无锁流水线设计与热路径零堆分配，以数据驱动的方式逐步将吞吐量提升至 Mutex 基线的 2.65×，P99 延迟改善 5.1×。

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核心特性

• 无锁 SPSC 双队列流水线：以自实现的 SPSCRingBuffer 替代 std::mutex + condition_variable，生产者/消费者完全在用户态通信，彻底消除 futex 系统调用开销。
• 热路径零堆分配：OrderMemoryPool（free-list + placement new）提供 O(1) 分配/回收；TradeRingBuffer<4096> 预分配 Trade 缓冲，两者合力消除高频路径上的 malloc 尾刺。
• perf 驱动的数据结构优化：通过 perf record + FlameGraph 定位 std::unordered_map 为 ~32% CPU 热点，迁移至 absl::flat_hash_map（Swiss Table），热点降至 ~12%。
• Cache Line 纪律：Order 结构 alignas(64)，sizeof == 64（static_assert 强制），整体恰好一条 cache line；SPSC head_/tail_ 各自对齐，消除生产者/消费者间 false sharing。
• 并发正确性验证：33 个 GTest 单元测试，全程开启 AddressSanitizer + ThreadSanitizer，覆盖完全成交、部分成交、撤单与并发场景。

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架构图

多线程撮合引擎完整流程架构请参考以下或顶部大图。

生产者线程                                    消费者线程
─────────────────────────                  ──────────────────────────
FeedSimulator::generate_random()
  │ 生成订单（随机游走价格）
  ▼
OrderMemoryPool::allocate()                ┌── try_pop() [acquire] ◄──────┐
  │ O(1)，无 malloc                         │                              │
  ▼                                         ▼                              │
*slot = raw_order（填充字段）          OrderBook::add_order_noalloc()       │
  │                                         │ 价格-时间优先撮合             │
  ▼                                         ▼                              │
slot->timestamp_ns = RDTSC()          TradeRingBuffer<4096>                │
  │ 延迟测量起点                             │ 纯数组写，无堆分配            │
  ▼  [order_queue_]                         ▼                              │
try_push() [release] ──────────►    latency = RDTSC() - timestamp_ns       │
                                            │ → LatencyRecorder            │
                                            ▼  [return_queue_]             │
pool.deallocate(ptr) ◄── try_pop() ◄── try_push(Order*)  ─────────────────┘
  生产者独占 deallocate，无需任何 mutex

两条 SPSC 队列的 release/acquire 内存序是唯一的同步手段，无任何额外锁或系统调用。

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性能结果

测试环境：腾讯云 VM，2 vCPU @ 2.494 GHz，Release（-O2），taskset -c 0,1，100K orders

流水线对比（Mutex vs SPSC，100K 订单）

指标	Mutex 基线	SPSC 优化版	改善
吞吐量	1.19 M orders/s	3.15 M orders/s	2.65×
P50 延迟	~4.77 ms	~1.26 ms	3.8×
P99 延迟	~12.59 ms	~2.49 ms	5.1×

OrderBook 数据结构优化（单线程微基准）

Benchmark	v1 基线	v3 优化	改善
BM_AddOrder_NoMatch	83.5 ns	46.4 ns	+44%
BM_CancelOrder	60,456 ns	26,659 ns	+56%
BM_MixedWorkload 吞吐	3.87 M ops/s	6.19 M ops/s	+60%
add_order_noalloc（零堆分配）	6.19 M ops/s	8.04 M ops/s	+30%

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源码及完整 benchmark 结果请见 GitHub →