我正在尝试实现以下功能:
用例:我正在尝试为 CNC 机器编写软件。电机的步进脉冲在实时线程中的软件中生成。这个实时线程不断更新一个保存轴当前位置的变量。多个其他非实时线程可能会读取该变量,例如显示当前位置。
问题一:这类问题是否有标准/公认的解决方案或模式?
我想出了以下想法:使用
std::atomic<uint64_t>
来保护数据并跟踪线程当前正在写入(通过检查最后一位)或自读取开始以来已写入的天气(通过增加写入时的值)。
template <class DATA, class FN>
void read_modify_write(DATA& data, std::atomic<uint64_t>& protector, FN fn)
{
auto old_protector_value = protector.load();
do
{
// wait until no other thread is writing
while(old_protector_value % 2 != 0)
old_protector_value = protector.load();
// try to acquire write privileges
} while(!protector.compare_exchange_weak(old_protector_value, old_protector_value + 1));
// write data
data = fn(data);
// unlock
protector = old_protector_value + 2;
};
template <class DATA>
DATA read(const DATA& data, std::atomic<uint64_t>& protector)
{
while(true)
{
uint64_t old_protector_value = protector.load();
// wait until no thread is writing
while(old_protector_value % 2 != 0)
old_protector_value = protector.load();
// read data
auto ret = data;
// check if data has changed in the meantime
if(old_protector_value == protector)
return ret;
}
}
问题2:上面的代码是线程安全的并且满足上面的要求吗?
问题三:是否可以改进?
(我能找到的唯一理论问题是计数器是否回绕,即在 1 次读取操作期间执行了 2^63 次写入操作。如果没有更好的解决方案,我认为这个弱点是可以接受的。)
谢谢
严格来说你的代码不是无锁的,因为你有效地使用了
protector
的 LSB 来实现自旋锁。
您的解决方案看起来非常像sequence lock。然而,实际的读操作
auto ret = data;
严格来说是一场数据竞赛。公平地说,在 C++17 中编写完全符合标准的 seqlock 是根本不可能的,因为我们必须等待 C++20。
可以扩展 seqlock 以更高的内存使用为代价使读取操作无锁。这个想法是拥有多个数据实例(让我们称它们为插槽),并且写操作总是以循环方式写入下一个插槽。这允许读取操作从最后一个完全写入的槽中读取。 Dmitry Vyukov 在Improved Lockfree SeqLock 中描述了他的方法。您可以查看我的 seqlock 实现,它是我的 xenium 库 的一部分。它还可选地允许使用可配置数量的插槽进行无锁读取操作(尽管它与 Vyukov 在读取器如何找到最后一个完全写入的插槽方面略有不同)。