C++ 中多个值的多线程原子存储/加载

Posted 2023-02-22

【中文标题】C++ 中多个值的多线程原子存储/加载

【英文标题】：Multithreaded Atomic Store/Load of multiple values in C++

【发布时间】：2017-01-04 20:31:10

【问题描述】：

假设我在 C++ 中有一个结构和类：

struct Vec 
   double x;
   double y;
   double z;


class VecTracker 
   Vec latest_vec;
   std::atomic<double> highest_x;
   std::atomic<double> highest_y;
   std::atomic<double> highest_z;

   //updates highest_x, highest_y, highest_z atomically
   void push_vec(const Vec& v);
   double get_high_x() const;
   double get_high_y() const;
   double get_high_z() const;
   //returns Vec consisting of snapshot of highest_x, highest_y, highest_z
   Vec get_highs() const;

我将有 R 个读取器线程和一个写入器线程。编写者线程将更新零个或多个highest_* 成员。如果阅读器线程调用get_highs()，我需要阅读器线程在阅读器线程读取highest_x、@987654326 之前之前看到来自编写器线程push_vec() 函数的当前调用的所有写入@等来产生一个向量。

现在，我知道如果Vec 足够小，我可以使用std::atomic<Vec>。问题是，如果它太大，则无法使用这些存储/加载的本机 CPU 指令。有什么方法可以使用std::atomic_thread_fence 来保证写入线程在读取线程获取它们之前提交多个原子写入？也就是说，保证写入线程的所有写入都在读取线程看到之前提交？还是std::atomic_thread_fence 只提供线程内的重新排序保证？目前，仅对每个成员使用 .store(std::memory_order_release) 似乎并不能保证所有三个存储都发生在任何读取之前。

显然，我可以在这里使用锁，但理想情况下，我想找到一种方法使这个数据结构无锁。

我知道我可以将highest_x、highest_y 和highest_z 放在一个结构中，并在堆上分配它的两个副本，在每次写入后自动交换指针。这是唯一的方法吗？

【参考方案1】：

魔鬼来了：//updates highest_x, highest_y, highest_z atomically。你如何保证它们确实是原子的？由于 3 个双打不适合 16B（我在 X86_64 平台上知道的最大原子操作），因此确保这一点的唯一方法是使用 mutex。

您的问题不在于栅栏。通过发出栅栏指令，您将保证所有以前的更新都是可见的。但是，您不能保证它们在在此之前不可见。因此，您将能够读取其中一个向量变量的最新值。

要解决您的问题，您应该选择 mutex - 它们在无竞争时非常有效 - 或者，如果您对互斥锁过敏，您描述自己的指针交换解决方案。

【讨论】：

啊哈。是的，我假设只有本机原子操作才能真正保证原子行为。看起来指针交换是要走的路。在这里不能真正使用互斥锁或自旋锁，因为会有非常激烈的争用，我想保证进展。

我进行了搜索，但找不到任何对 CMPXCHG32B 指令的引用。如果确实存在这样的指令，那么在这种情况下就足够了，因为在今天的大多数系统上，3 个 double 仅相当于 24B。您是否将它与 CMPXCHG16B 混淆了？在这种情况下，你的论点就更有意义了。

@ErikNyström，100% 是的！感谢您的发现。