原子出队的最简单方法？

Posted 2023-02-22

【中文标题】原子出队的最简单方法？

【英文标题】：The simpliest way to dequeue atomically?

【发布时间】：2016-07-07 15:14:15

【问题描述】：

我有一组数据必须使用多线程同时处理，据说数据的数量大于线程的数量。我决定将数据放入某种队列中，这样每个空闲线程都可以弹出它的部分并处理它，直到队列为空。当我想从中取出一个元素时，我可以使用一个简单的 STL 队列并通过互斥锁将其锁定，但我想尝试一种无锁方法。同时我的项目太小，不能依赖一些提供无锁结构的第三方库，实际上我只需要原子出队。所以我决定基于一个带有指向“头”的指针的向量来实现我自己的队列，并原子地增加这个指针：

template <typename T>
class AtomicDequeueable

public:

    // Assumption: data vector never changes
    AtomicDequeueable(const std::vector<T>& data) :
        m_data(data),
        m_pointer(ATOMIC_VAR_INIT(0))
    

    const T * const atomicDequeue()
    
        if (std::atomic_load(&m_pointer) < m_data.size())
        
            return &m_data
            [
                std::atomic_fetch_add(&m_pointer, std::size_t(1))
            ];
        

        return nullptr;
    

private:

    AtomicDequeueable(const AtomicDequeueable<T>&) 

    std::atomic_size_t m_pointer;
    const std::vector<T>& m_data;
;

Threads的函数如下：

void f(AtomicDequeueable<Data>& queue)

    while (auto dataPtr = queue.atomicDequeue())
    
        const Data& data = *dataPtr;
        // processing data...
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
    

我使用无锁结构和原语的经验真的很差，所以我想知道：我的方法能正常工作吗？当然我已经在 Ideone 上对其进行了测试，但我不知道它在真实数据中的表现如何。

【问题讨论】：

无锁且简单？好家伙。您的代码中存在数据竞争。想象一下，您的队列n 被填充到n - 1，现在两个线程同时在std::atomic_load(&m_pointer) < m_data.size() 中成功：一旦它们执行原子增量，您将拥有UB，因为一个线程将访问m_data[ n - 1 ]，另一个将访问@ 987654327@.

你的atomicDequeue 函数看起来不是原子的。想想当m_pointer 是m_data.size()-1 时，如果两个线程通过if 语句会发生什么。

【参考方案1】：

目前，您的 atomicDequeue 函数存在数据争用：可能有 2 个线程在执行第二条指令之前都执行了第一条 atomic 指令。但是，这可以修复，因为您实际上只需要 1 个原子操作，根据以下更改：

const T * const atomicDequeue()

    auto myIndex = std::atomic_fetch_add(&m_pointer, std::size_t(1));

    if(myIndex >= m_data.size())
        return nullptr;

    return &m_data[myIndex];

如果在线程操作期间没有修改输入向量，则此方法有效。

【参考方案2】：

您的代码有很多错误。让我在这里非常坦率地提出我的建议：

“Actum Ne Agas： 不要做已经做过的事情。” 你有大量预先存在的 C++ 类可供您使用，它可以可靠地进行排队和一般的进程间通信（IPC）。使用其中之一。

不用担心“无锁”。这就是锁的用途，而且它们可靠、快速且便宜。

您“使用队列”的概念是合理的，但是当您可以简单地“从货架上拿东西”时，您会做不必要的工作......并制造错误......您知道标准部分会正常工作，因为其他人已经将其测试到死。