[英]Atomic and lock-free write of arbitrary sized data/vector/array
我正在尝试实现以下功能:
用例:我正在尝试为 CNC 机床编写软件。 电机的步进脉冲由软件在实时线程中生成。 该实时线程不断更新保存轴当前位置的变量。 多个其他非实时线程可以读取该变量,例如显示当前位置。
问题 1:对于此类问题,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的天气(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)。
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:以上代码是否线程安全并满足上述要求?
问题三:可以改进吗?
(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,您的代码不是无锁的,因为您有效地使用了protector
的 LSB 来实现自旋锁。
您的解决方案看起来非常像一个序列锁。 但是,实际的读操作auto ret = data;
严格来说是数据竞赛。 公平地说,根本不可能在 C++17 中编写完全符合标准的 seqlock,为此我们必须等待 C++20。
可以扩展 seqlock 以使读取操作无锁,但代价是更高的内存使用量。 这个想法是拥有数据的多个实例(让我们称它们为槽),并且写操作总是以循环方式写入下一个槽。 这允许读取操作从最后一个完全写入的插槽中读取。 Dmitry Vyukov 在改进的 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。 它还可选地允许具有可配置插槽数的无锁读取操作(尽管它与 Vyukov 在阅读器如何找到最后一个完全写入的插槽方面略有不同)。
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