c++11 2线程无锁队列

Posted 2023-03-15

【中文标题】c++11 2线程无锁队列

【英文标题】：c++11 lock-free queue with 2 thread

【发布时间】：2020-07-30 20:33:09

【问题描述】：

除了主线程，我还有一个线程接收数据并将它们写入文件。

std::queue<std::vector<int>> dataQueue;
std::mutex mutex;

void setData(const std::vector<int>& data) 
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    dataQueue.push(data);


void write(const std::string& fileName) 
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store) 
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

        while (!dataQueue.empty()) 
            std::vector<int>& data= dataQueue.front();

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            
        
    

setData 被主线程使用，write 实际上是写线程。我使用std::lock_quard 来避免内存冲突，但是当锁定写入线程时，它会减慢主线程，因为它必须等待队列被解锁。但我想我可以避免这种情况，因为线程永远不会同时作用于队列的同一个元素。

所以我想做到无锁，但我真的不明白我应该如何实现它。我的意思是，我怎么能在不锁定任何东西的情况下做到这一点？此外，如果写入线程比主线程快，则队列可能大部分时间都是空的，因此它应该以某种方式等待新数据，而不是无限循环以检查非空队列。

编辑：我将简单的std::lock_guard 更改为std::cond_variable，以便它可以在队列为空时等待。但是主线程仍然可以被阻塞，当cvQeue.wait(.)被解析时，它会重新获得锁。另外，如果主线程执行cvQueue.notify_one()，而写线程没有等待呢？

std::queue<std::vector<int>> dataQueue;
std::mutex mutex;
std::condition_variable cvQueue;

void setData(const std::vector<int>& data) 
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
    dataQueue.push(data);
    cvQueue.notify_one();


void write(const std::string& fileName) 
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store) 
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

        while (!dataQueue.empty()) 
            std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex);
            cvQueue.wait(lock);

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            
        
    

【问题讨论】：

您可以简单地在write 呼叫周围解锁，然后重新锁定。写入时无需持有锁，这可能是循环中最耗时的部分。

【参考方案1】：

如果您只有两个线程，则可以使用无锁单生产者单消费者 (SPSC) 队列。 可以在此处找到有界版本：https://github.com/rigtor/SPSCQueue Dmitry Vyukov 在这里展示了一个无限版本：http://www.1024cores.net/home/lock-free-algorithms/queues/unbounded-spsc-queue（但您应该注意，这段代码应该适合使用原子。）

关于阻塞弹出操作 - 这是无锁数据结构不提供的东西，因为这样的操作显然不是无锁的。但是，以这样一种方式调整链接实现应该相对简单，即如果队列在推送之前为空，则推送操作会通知条件变量。

【参考方案2】：

我想我有一些东西可以满足我的需要。我做了一个使用std::atomic 的LockFreeQueue。因此，我可以原子地管理队列头/尾的状态。

template<typename T>
class LockFreeQueue 
public:
    void push(const T& newElement) 
        fifo.push(newElement);
        tail.fetch_add(1);
        cvQueue.notify_one();
    

    void pop() 
        size_t oldTail = tail.load();
        size_t oldHead = head.load();

        if (oldTail == oldHead) 
            return;
        

        fifo.pop();
        head.store(++oldHead);
    

    bool isEmpty() 
        return head.load() == tail.load();
    

    T& getFront() 
        return fifo.front();
    

    void waitForNewElements() 
        if (tail.load() == head.load()) 
            std::mutex m;
            std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
            cvQueue.wait_for(lock, std::chrono::milliseconds(TIMEOUT_VALUE));
        
    

private:
    std::queue<T> fifo;
    std::atomic<size_t> head =  0 ;
    std::atomic<size_t> tail =  0 ;
    std::condition_variable cvQueue;
;

LockFreeQueue<std::vector<int>> dataQueue;
std::atomic<bool> store(true);

void setData(const std::vector<int>& data) 
    dataQueue.push(data);
    // do other things


void write(const std::string& fileName) 
    std::unique_ptr<std::ostream> ofs = std::unique_ptr<std::ostream>(new zstr::ofstream(fileName));

    while (store.load()) 

        dataQueue.waitForNewElements();

        while (!dataQueue.isEmpty()) 
            std::vector<int>& data= dataQueue.getFront();

            ofs->write(reinterpret_cast<char*>(data.data()), sizeof(data[0])*data.size());

            dataQueue.pop();
            
        
    

我在waitForNewElements 中仍然有一个锁，但它并没有锁定整个过程，因为它正在等待要做的事情。但最大的改进是生产者可以在消费者弹出时推送。只有当LockFreQueue::tail 和LockFreeQueue::head 相同时才被禁止。表示队列为空，进入等待状态。

我不太满意的是cvQueue.wait_for(lock, TIMEOUT_VALUE)。我想做一个简单的cvQueue.wait(lock)，但问题是当涉及到结束线程时，我在主线程中做store.store(false)。因此，如果写入线程正在等待，它将永远不会在没有超时的情况下结束。所以，我设置了一个足够大的超时时间，这样大部分时间condition_variable 被锁解决，而当线程结束时，它被超时解决。

如果您觉得某些地方一定有问题或必须改进，请随时发表评论。

【讨论】：

std::queue 不是线程安全的。您没有使用任何锁定，但是当两个线程同时运行 fifo.push 和 fifo.pop 时，您也没有做任何事情来确保安全！也许这恰好适用于std::list 底层容器，尤其是使用您的原子计数器来阻止您在空的 fifo 上运行 pop 我认为这是目的？但总的来说，将std::queue 用作 SPSC 队列并不安全。

我不明白。推送后，推送计数器增加。所以，新元素只有在完成后才会“活跃起来”，不是吗？

是的，并且没有任何加载/存储在 std::atomic 对象上，因此它的数据竞争 UB 供不同线程访问它们。在 x86 上，编译器生成的任何 asm 都将受益于 x86 的强内存模型（每个加载/存储都是获取/释放）。弱排序的 ISA 可能只需要在读取端使用mo_consume，因为数据依赖于它们加载的指针，因此它们免费执行此操作，但写入端不会使用发布存储来确保最后的指针修改是'在节点中的所有其他数据都可见之前不可见。

编写一个安全的 SPSC 链表队列肯定需要 一些 atomic<> 操作，绝对是为了使其安全可移植，而不仅仅是在 x86 上偶然工作.除了std::queue 本身之外的原子计数器之外，您的队列不使用任何东西，您将其与seq_cst 订单一起使用。我很确定这些还不够。

en.cppreference.com/w/cpp/container/list 并没有说它是线程安全的，所以你必须假设它不是。它确实说其他迭代器不会因您使用的操作而无效，但这与线程安全不同。 list<> 对象本身有一些 push/pop 将修改的指针。 IDK 在某些实现上可能碰巧是安全的。