当消费者在实时上下文中操作时，如何在共享内存中安全地实现环形缓冲区

Question

我的情况是这样的：在 Linux 机器上，我有一个共享内存区域，其中包含音频样本的环形缓冲区。该环形缓冲区的消费者是一个硬实时 Xenomai 音频回调，因此不允许执行任何类型的互斥锁定等。生产者是一个常规 Linux 进程，通过

SCHED_FIFO

调度程序进行调度，但除此之外允许为所欲为。

这是我用来实现共享内存环缓冲区的 C++ 类的（非常简化的）实现：

const size_t NUM_SAMPLES_PER_RENDER_BUFFER = 1024;  // producer renders 1024 audio samples at a time
const size_t NUM_RENDER_BUFFERS            = 4;     // quadruple-buffering, for now

struct SharedMemoryAudioData
{
public:
   std::atomic<uint64_t> _totalSamplesProduced; /* since program start */
   std::atomic<uint64_t> _totalSamplesConsumed; /* since program start */

   float _samplesRingBuffer[NUM_SAMPLES_PER_RENDER_BUFFER*NUM_RENDER_BUFFERS];
};

...消费者回调的操作如下（伪代码）：

void RealTimeAudioCallback(float * writeSamplesToHere, uint32 numSamplesToWrite)
{
   const size_t ringBufSize = NUM_SAMPLES_PER_RENDER_BUFFER*NUM_RENDER_BUFFERS;
   size_t readIdx = (size_t) (sharedData._totalSamplesConsumed.load() % ringBufSize);
   for (size_t i=0; i<numSamplesToWrite; i++)
   {
      writeSamplesToHere[i] = sharedData._samplesRingBuffer[readIdx++];
      if (readIdx >= ringBufSize) readIdx = 0;
   }
   sharedData._totalSamplesConsumed = sharedData._totalSamplesConsumed.load() + numSamplesToWrite;
}

生产者代码稍微复杂一些；它定期运行并比较

_totalSamplesProduced

和

_totalSamplesConsumed

并确定适合写入共享内存区域的样本数以保持环形缓冲区填满（即，它会写入尽可能多的样本，而不会冒覆盖消费者当前正在读取的环形缓冲区的区域）。

这一切似乎运行良好，并且对

_totalSamplesProduced

和

_totalSamplesConsumed

成员变量的访问是并发安全的，因为它们都是

std::atomic

。

我的问题是关于访问

_samplesRingBuffer

本身的值的安全性。它们也由生产者线程写入并由消费者线程读取，但它们不是

std::atomic

，因此这似乎是技术上未定义的行为。一种解决方案是将数组的类型更改为

std::atomic<float>

，但我怀疑这可能会显着增加性能成本，所以我宁愿不这样做。

我还应该在这里做些什么来帮助使对

_sampleRingBuffer

的共享访问更加并发安全，同时仍然保持高效率？ （我意识到制作人总是有可能不及时制作，这会导致欠载并且可能出现音频故障，但实际上似乎不会发生，无论如何我不认为有我能做些什么吗）

Answer 1

问题是，如果生产者不接触

_totalSamplesConsumed

并且消费者不接触

_totalSamplesProduced

：那么他们永远不会同步任何东西。在这种情况下，访问样本确实是一场数据竞赛。

但是，消费者应该阅读

_totalSamplesProduced

，因为它应该限制样本以读取可用的样本。这样做足以同步生产者和消费者，并且可以安全地使用生产者编写的样本。

生产者释放，消费者获取也足够了，

_totalSamplesProduced

，不需要你现在使用的默认顺序一致性。

另一个错误：

sharedData._totalSamplesConsumed =
  sharedData._totalSamplesConsumed.load()
  + numSamplesToWrite;

不是原子的。请使用

fetch_add

来代替。