在 C++ 的多线程环境中使用写时复制

Question

在我的 Qt C++ 应用程序中，我有两个主线程：GUI 线程和渲染线程。 GUI 线程管理可以创建和编辑的DataObject结构列表，而渲染线程绘制对象（渲染线程无法修改数据对象）。 我需要一种在两个线程之间共享数据对象的方法（渲染线程每帧可以渲染数千个对象，并且对象通常存储数百对浮点数）。 目前，我的设计策略包括存储数据对象的shared_ptr并将共享指针列表从 GUI 线程传递到渲染线程。 当 GUI 线程正在修改数据 object 并且渲染线程也试图读取相同的数据 object 时，我正在使用互斥锁和锁来防止数据竞争。

另一方面，在查看 Qt 源代码时，我发现大量使用了写时复制技术，该技术本质上涉及数据对象的浅拷贝（当访问为只读时）和深拷贝用于写访问。 Qt 还提供了方便的类，如QSharedData类来实现您自己的隐式共享对象。

所以就我而言，我正在考虑使用写时复制，以便我可以使用这种技术实现我的DataObject 。 除了将共享指针传递给渲染线程，我可以直接传递DataObject实例（当然在内部，数据仍然使用指针存储），如果 GUI 线程试图修改数据 object，它只会复制数据和两个线程将继续运行，就好像它们拥有数据 object 一样（渲染线程最终会丢弃其副本）。 现在，在我看来，写时复制在 C++ 世界（Qt 之外）中非常不受欢迎，而且我还没有找到很多其他代码库中使用它的例子。 在我的场景中使用写时复制有什么缺点？ 有什么我应该注意的陷阱吗？

Answer 1

有一种非常简单的方法可以在某种程度上使锁变得不必要：

• 在创建在某个时候与不同线程共享的 object 时，请使用std::unique_ptr<T> 。 这确保只有有限数量的代码可以访问 object。 请注意，您显然在此阶段不共享指针，否则这不起作用。 总之，在写作时，你想要独占访问。
• 如果您想将 object 传递给另一个使用它做其他事情的线程，您可以使用std::shared_ptr<T const> 。 这允许共享并确保最后一个所有者在使用后删除动态资源。 这里的限制是它只允许只读访问。 总之，你放弃写作，因为你想要共享访问。

笔记：

• 你需要严格控制 const 的正确性。 如果 object x包含指针p ，您仍然可以使用该指针进行写入，即使x是对 const 的引用。 指针本身将是常量，但指针对象不会继承它。 这在使用智能指针时也保持不变！
• 如果将 object 传递给具有所有权转移语义的线程，则可以为此使用unique_ptr 。 由于独占所有权，这也使得 object 上的互斥锁同步变得不必要。 典型应用是使用带有参数和结果的“任务”object。 一个线程（生产者）使用参数创建任务 object，然后另一个线程获得所有权（消费者）并计算结果。 然后它经常将 object 返回给初始生产者或将其传递给其他地方，充当生产者本身。
• 所有这些都没有解决您在线程之间传输（唯一或共享）指针的方式。 这仍然需要以线程安全的方式完成，通常涉及队列。

Answer 2

在这种情况下使用写时复制语义可能很有用，但性能（提升）可能取决于每个渲染周期之间更改的数据量。 如果更改了很多数据，几乎所有的数据都会被复制。 首先将数据复制（或移动）到渲染线程可能会更有效，因为它避免了写时复制检查的开销。 使用写时复制行为的另一个缺点是隐式共享迭代器问题，当隐式共享 object 在迭代器仍处于活动状态时被分离时，就会出现这种问题。

使用写时复制，在您的情况下具有一些优势（与互斥锁和/或深复制到渲染线程相比）：

• 无锁
• 渲染线程看不到 GUI 线程在渲染周期中所做的（部分）更改。
• 尽可能避免复制数据（如果大多数数据在两个连续的渲染周期之间保持不变，则特别有用。）