在线程中等待标志的最佳方法

Posted 2023-02-22

【中文标题】在线程中等待标志的最佳方法

【英文标题】：Best way to wait for flag in thread

【发布时间】：2019-07-30 22:31:35

【问题描述】：

我有一个运行多个线程的 C++ 程序。我正在使用全局标志来告诉我什么时候可以继续我的程序。这需要使用等待设置标志的 while 循环。我知道这种方法不是最好的，因为程序运行的时间比预期的要长得多。

我已经看到了互斥体和条件变量的使用，但我不确定它是否适用于我的需求或如何实现。

volatile bool flag;

int threadFunction()
    //Do some initialization work
    //
    //Then look for flag to be set
    while (1)
        if (flag)
            //do stuff
            flag = false;
        
        Sleep(1);
    


int setFlag()
    flag = true;


int main()
    std::thread thread1(threadFunction);
    while (1)
        setFlag();
        Sleep(5);
    
    thread1.join()

threadFunction 中的 while 循环似乎导致了速度问题。有没有更好的方法来做到这一点？

没有错误，但代码似乎效率很低。

【问题讨论】：

与您的问题没有任何关系，但几乎总是if (flag) do_stuff(); flag = false; 是错误的。更好的是if (flag) flag = false; do_stuff();

【参考方案1】：

您目前拥有的是忙碌的等待，有时也称为自旋锁。这些可以在某些情况下提供良好的性能（主要是在等待时间很短且不频繁的情况下），但也可能导致 CPU 负载过度占用 CPU 内核，而这些 CPU 内核可能正在执行生产性工作。

另一个选项是阻塞标志。这将使用操作系统提供的工具在等待某些条件时阻止您的线程。这将防止它无所事事地占用 CPU 资源，因为操作系统知道只要您的线程正在等待，它就可以调度另一个线程。它还可能增加延迟，因为一旦您的线程等待的条件发生，操作系统必须重新安排您的线程。使用自旋锁，您的线程已经在执行，并且可以使用其剩余时间片立即进行生产性工作。

您可以从条件变量和互斥体构建一个简单的阻塞标志：

class Flag

public:
    Flag() : flag_false 

    void set()
    
        std::lock_guard g(mutex_);
        flag_ = true;
        cond_var_.notify_all();
    

    void clear()
    
        std::lock_guard g(mutex_);
        flag_ = false;
    

    void wait()
    
        std::unique_lock lock(mutex_);
        cond_var_.wait(lock, [this]()  return flag_; );
    
private:
    bool flag_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cond_var_;
;

Live Demo

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您需要哪种类型的锁定机制在很大程度上取决于您的特定工作负载。与所有性能问题一样，了解哪个最适合您的唯一方法是进行基准测试。

【讨论】：

flag 应该是std::atomic，我想。

@PaulSanders 它不需要是原子的。它是谓词数据，因此 all 访问应该已经是互斥的，这要归功于该互斥锁。

@PaulSanders flag_ 在这里不需要是原子的，因为互斥体提供了内存屏障。

@MilesBudnek 这没什么大不了的，但是将 notify_all 调用移到包含互斥锁的块内可以提高性能。然后，一个好的实现知道notify_all 调用不可能使线程准备好运行并且不能与任何东西抗衡，从而允许它在快速路径上执行。由于 OP 关心性能，因此最好的方式似乎是一个好主意。

@DavidSchwartz 有趣。我总是听到相反的建议：当你持有相关的互斥锁时，你应该避免通知等待条件变量的线程，因为线程会唤醒并立即再次阻塞。我将不得不做一些进一步的阅读。

【参考方案2】：

目前您在代码中有“忙等待”和/或延迟问题。

使用std::condition_variable 和std::mutex。 有关详细信息，请参阅 C++ 参考。它包含您需要的所有示例和说明。

【讨论】：

同样volatile bool flag;应该是std::atomic <bool> flag;