带线程的 C/C++ 数组 - 我需要使用互斥锁还是锁？

Question

我是使用线程的新手，并且已经阅读了很多关于如何共享和保护数据的内容。 但我也没有真正掌握使用互斥锁和锁来保护数据。

下面是我将要解决的问题的描述。 需要注意的重要一点是，这将是时间紧迫的，所以我需要尽可能地减少开销。

我有两个固定大小的双数组。

• 第一个数组将为后续计算提供数据。 线程将从它读取值，但它永远不会被修改。 某个元素可能会在某个时间被任何线程读取。

• 第二个数组将用于存储线程执行的计算结果。 这个数组的一个元素只会被一个线程更新，并且可能只有一次当结果值
  是写给它的。

我的问题是：

1. 每次访问只读数组中的数据时，我真的需要在线程中使用互斥锁吗？ 如果是这样，你能解释一下原因吗？

2. 当线程写入结果数组时，我是否需要在线程中使用互斥锁，即使这将是唯一写入该元素的线程？

3. 我应该使用原子数据类型吗，如果我这样做会不会有任何显着的时间开销？

4. 此类问题的许多答案似乎是 - 不，如果您的变量对齐，则不需要互斥锁。 我在这个例子中的数组元素会对齐，还是有什么方法可以确保它们对齐？

该代码将在 64 位 Linux 上实现。 我计划使用 Boost 库进行多线程处理。

几天来我一直在仔细考虑这个问题，并在整个网络上查看，一旦发布，答案和清晰的解释在几秒钟内就回来了。 有一个“接受的答案”，但所有的答案和评论都同样有帮助。

Answer 1

1. 每次访问只读数组中的数据时，我真的需要在线程中使用互斥锁吗？ 如果是，你能解释一下原因吗？

不会。因为数据永远不会被修改，所以不会有同步问题。

2. 当线程写入结果数组时，我是否需要在线程中使用互斥锁，即使这将是唯一写入该元素的线程？

要看。

1. 如果任何其他线程要读取该元素，则需要同步。
2. 如果任何线程可能会修改向量的大小，则需要同步。

在任何情况下，请注意不要由不同的线程大量写入相邻的内存位置。 这可能会破坏性能。 参见“虚假共享”。 考虑到，您可能没有很多内核，因此没有很多线程，并且您说写入仅完成一次，但这可能不会成为一个重大问题。

3. 我应该使用原子数据类型吗，如果我这样做会不会有任何重要的时间开销？

如果您使用锁（互斥），则不需要原子变量（并且它们确实有开销）。 如果不需要同步，则不需要原子变量。 如果您需要同步，那么在某些情况下可以使用原子变量来避免锁定。 在哪些情况下你可以使用原子而不是锁......我认为这更复杂，超出了这个问题的范围。

鉴于您在评论中的情况描述，似乎根本不需要同步，因此不需要原子或锁。

4. ...在这个例子中我的数组元素是否会对齐，或者有什么方法可以确保它们对齐？

正如 Arvid 所指出的，您可以使用 c++11 中引入的alginas关键字请求特定对齐。 在 c++11 之前，您可以求助于编译器特定的扩展： https : //gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-5.1.0/gcc/Variable-Attributes.html

Answer 2

在给定的两个条件下，不需要互斥锁。 请记住，每次使用互斥锁（或任何同步构造）都是一种性能开销。 所以你想尽可能地避免它们（当然不影响正确的代码）。

1. 不。不需要互斥体，因为线程只读取数组。

2. 不可以。由于每个线程只写入不同的内存位置，因此不可能出现竞争条件。

3. 不。这里不需要对对象进行原子访问。 事实上，使用原子对象可能会对性能产生负面影响，因为它会阻止优化的可能性，例如重新排序操作。

Answer 3

只有在共享资源上的数据被修改时才需要使用锁。 例如，如果一些线程用于写入数据而一些用于读取数据（在这两种情况下都来自同一资源），那么您只需要在写入完成时锁定。 这是为了防止所谓的“种族”。

当您制作在共享资源上操作数据的程序时，谷歌上有很好的种族信息。

Answer 4

你走在正确的轨道上。

1）对于第一个数组（只读），您不需要为其使用互斥锁。 由于线程只是读取而不是更改数据，因此线程无法破坏另一个线程的数据

2）我对这个问题有点困惑。 如果您知道线程 1 只会将元素写入数组插槽 1，而线程 2 只会写入数组插槽 2，那么您不需要互斥锁。 但是我不确定你是如何实现这个属性的。 如果我的上述陈述不适合您的情况，您肯定需要一个互斥锁。

3) 鉴于原子的定义：

原子类型是封装一个值的类型，该值的访问保证不会引起数据竞争，并且可用于同步不同线程之间的内存访问。

重点说明，互斥锁是原子的，这意味着只需要 1 条汇编指令即可获取/释放锁。 如果需要 2 个组装指令来抓取/释放锁，那么锁就不是线程安全的。 例如，如果线程 1 尝试获取锁并被切换到线程 2，线程 2 将获取锁。

使用原子数据类型会减少你的开销，但不会显着。

4）我不确定你如何确保你的变量是内衬的。 由于线程可以在您的程序中随时切换（您的操作系统确定线程何时切换）

希望这可以帮助