帶線程的 C/C++ 數組 - 我需要使用互斥鎖還是鎖？

Question

我是使用線程的新手，並且已經閱讀了很多關於如何共享和保護數據的內容。 但我也沒有真正掌握使用互斥鎖和鎖來保護數據。

下面是我將要解決的問題的描述。 需要注意的重要一點是，這將是時間緊迫的，所以我需要盡可能地減少開銷。

我有兩個固定大小的雙數組。

• 第一個數組將為后續計算提供數據。 線程將從它讀取值，但它永遠不會被修改。 某個元素可能會在某個時間被任何線程讀取。

• 第二個數組將用於存儲線程執行的計算結果。 這個數組的一個元素只會被一個線程更新，並且可能只有一次當結果值
  是寫給它的。

我的問題是：

1. 每次訪問只讀數組中的數據時，我真的需要在線程中使用互斥鎖嗎？ 如果是這樣，你能解釋一下原因嗎？

2. 當線程寫入結果數組時，我是否需要在線程中使用互斥鎖，即使這將是唯一寫入該元素的線程？

3. 我應該使用原子數據類型嗎，如果我這樣做會不會有任何顯着的時間開銷？

4. 此類問題的許多答案似乎是 - 不，如果您的變量對齊，則不需要互斥鎖。 我在這個例子中的數組元素會對齊，還是有什么方法可以確保它們對齊？

該代碼將在 64 位 Linux 上實現。 我計划使用 Boost 庫進行多線程處理。

幾天來我一直在仔細考慮這個問題，並在整個網絡上查看，一旦發布，答案和清晰的解釋在幾秒鍾內就回來了。 有一個“接受的答案”，但所有的答案和評論都同樣有幫助。

Answer 1

1. 每次訪問只讀數組中的數據時，我真的需要在線程中使用互斥鎖嗎？ 如果是，你能解釋一下原因嗎？

不會。因為數據永遠不會被修改，所以不會有同步問題。

2. 當線程寫入結果數組時，我是否需要在線程中使用互斥鎖，即使這將是唯一寫入該元素的線程？

要看。

1. 如果任何其他線程要讀取該元素，則需要同步。
2. 如果任何線程可能會修改向量的大小，則需要同步。

在任何情況下，請注意不要由不同的線程大量寫入相鄰的內存位置。 這可能會破壞性能。 參見“虛假共享”。 考慮到，您可能沒有很多內核，因此沒有很多線程，並且您說寫入僅完成一次，但這可能不會成為一個重大問題。

3. 我應該使用原子數據類型嗎，如果我這樣做會不會有任何重要的時間開銷？

如果您使用鎖（互斥），則不需要原子變量（並且它們確實有開銷）。 如果不需要同步，則不需要原子變量。 如果您需要同步，那么在某些情況下可以使用原子變量來避免鎖定。 在哪些情況下你可以使用原子而不是鎖......我認為這更復雜，超出了這個問題的范圍。

鑒於您在評論中的情況描述，似乎根本不需要同步，因此不需要原子或鎖。

4. ...在這個例子中我的數組元素是否會對齊，或者有什么方法可以確保它們對齊？

正如 Arvid 所指出的，您可以使用 c++11 中引入的alginas關鍵字請求特定對齊。 在 c++11 之前，您可以求助於編譯器特定的擴展： https : //gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-5.1.0/gcc/Variable-Attributes.html

Answer 2

在給定的兩個條件下，不需要互斥鎖。 請記住，每次使用互斥鎖（或任何同步構造）都是一種性能開銷。 所以你想盡可能地避免它們（當然不影響正確的代碼）。

1. 不。不需要互斥體，因為線程只讀取數組。

2. 不可以。由於每個線程只寫入不同的內存位置，因此不可能出現競爭條件。

3. 不。這里不需要對對象進行原子訪問。 事實上，使用原子對象可能會對性能產生負面影響，因為它會阻止優化的可能性，例如重新排序操作。

Answer 3

只有在共享資源上的數據被修改時才需要使用鎖。 例如，如果一些線程用於寫入數據而一些用於讀取數據（在這兩種情況下都來自同一資源），那么您只需要在寫入完成時鎖定。 這是為了防止所謂的“種族”。

當您制作在共享資源上操作數據的程序時，谷歌上有很好的種族信息。

Answer 4

你走在正確的軌道上。

1）對於第一個數組（只讀），您不需要為其使用互斥鎖。 由於線程只是讀取而不是更改數據，因此線程無法破壞另一個線程的數據

2）我對這個問題有點困惑。 如果您知道線程 1 只會將元素寫入數組插槽 1，而線程 2 只會寫入數組插槽 2，那么您不需要互斥鎖。 但是我不確定你是如何實現這個屬性的。 如果我的上述陳述不適合您的情況，您肯定需要一個互斥鎖。

3) 鑒於原子的定義：

原子類型是封裝一個值的類型，該值的訪問保證不會引起數據競爭，並且可用於同步不同線程之間的內存訪問。

重點說明，互斥鎖是原子的，這意味着只需要 1 條匯編指令即可獲取/釋放鎖。 如果需要 2 個組裝指令來抓取/釋放鎖，那么鎖就不是線程安全的。 例如，如果線程 1 嘗試獲取鎖並被切換到線程 2，線程 2 將獲取鎖。

使用原子數據類型會減少你的開銷，但不會顯着。

4）我不確定你如何確保你的變量是內襯的。 由於線程可以在您的程序中隨時切換（您的操作系統確定線程何時切換）

希望這可以幫助