c++ - 快速锁定被大量读取并且可能偶尔从另一个线程更改的变量

Question

我正在寻找一个锁，它允许在 GUI 和后端之间进行线程安全的转换。

只是为了双人间，但我相信它最终会被用于其他用途。

现在这是我不确定的部分，在现代 CPU 上，同时读取和写入是否会导致竞争条件？还是仅当两个线程尝试同时写入时。

我总是将我与线程交叉的任何变量封装在一个模板对象中，这允许我使用相同但需要锁定，这是基础知识:

//=====================================================================================================
// Class to store a variable in a thread safe manner.
//=====================================================================================================
template <class T>
class ThreadSafeVariable
{
public:

  ThreadSafeVariable(const T & variable):
    _stored_variable(variable)
  {
  }

  ThreadSafeVariable():
    _stored_variable()
  {
  }

  //=====================================================================================================
  /// Returns the stored variable
  //=====================================================================================================
  T Read() const
  {
    boost::unique_lock<boost::mutex> lock(_mutex);
    return _stored_variable;
  }


  //=====================================================================================================
  /// Sets the variable
  //=====================================================================================================
  void operator = (const T &value_to_set)
  {
    boost::unique_lock<boost::mutex> lock(_mutex);
    _stored_variable = value_to_set;
  }


  //=====================================================================================================
  /// Returns the stored variable
  //=====================================================================================================
  operator T() const
  {
    boost::unique_lock<boost::mutex> lock(_mutex);
    return (T) _stored_variable;
  }


  void SetFromString (const std::string & value_to_set);
  T operator ++ (int);
  T operator -- (int);
  std::string ToString() const;

  protected:
  T _stored_variable;
  mutable boost::mutex _mutex;
};

如果只有一个线程可以选择写入(该部分需要通过调用不同的函数进行编码)，是否有可能使这样的类更快。

基本上我有一个静态函数，我想保持静态，它根据我想在 GUI 上更改的参数而变化，但它是软件的性能关键部分。

我知道自旋锁、原子。但从未真正使用过它们。我想自旋锁会浪费 CPU，而且我不确定原子能带来的性能提升。

Answer 1

您应该看看 std::atomic<> ，它几乎准确地实现了您需要的行为。不要重新发明轮子。

std::atomic<> 的好处在于，它实际上使用硬件设施进行原子读写，因此 std::atomic<> 的所有基本实例实际上都是无锁的，这是一个巨大的速度优势。甚至有一些预处理器宏指示 std::atomic<> 的哪些基本实例是以无锁方式实现的，这使您可以选择最合适的无锁方式(例如，ATOMIC_CHAR_LOCK_FREE 就是其中之一)。

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以下是对只读和并发写入之间可能存在的竞争的解释。 不要试图将此解读为执行任何超出语言标准的操作的说明。如果您忽略标准并出现鼻腔恶魔，那不在我的部门。

关于您关于读写之间是否存在竞争条件的问题，这实际上取决于具体情况。通常，您可以假设机器本身支持的自然对齐类型的单个读取或写入将以原子方式处理。即，在 64 位机器上，如果 uint64_t 对齐到八字节边界，您可以期望 uint64_t 的读写是原子的。如果不满足这些条件，您可能会遇到这样一种情况，即您从内存中读取的值的一半来自写入前的值，而另一半来自写入的值。例如，如果你这样做

while(1) {
    myGlobal = 0x0000000000000000;
    myGlobal = 0x0123456789abcdef;
}

并发到

printf("0x%016llu\n", myGlobal);

并且 myGlobal 未正确对齐，或者在 32 位机器上运行，您可能会发现您得到 0x0123456700000000 的输出。

C++ 语言的定义方式忽略了这些实现细节，因此并发访问任何包含至少一次写入的变量都被视为竞争条件。正如 std::atomic<> 的存在所承认的那样，这在安全方面有点远。 依赖于这些保证但不使用 std::atomic<> 的代码也是非常危险的，因为它允许优化器扭曲程序员的假设(更多信息可以在这篇短文 Boehm.pdf 中找到，感谢 nosid 的链接)。

因此，在 C++ 标准的加持下，std::atomic<> 是获得无锁、线程安全变量的唯一途径。