想要一个高效的方法在C++中交换两个指针？

Question

在一个多线程的C++应用程序中，我有两个指针指向一个大的图形对象。 我尝试每5分钟交换它们。哪种方式是安全的并具有最佳性能？ 使用C++11的atomic<>是一个不错的选择。

- Dean Chen

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我会想象将它们保存在std::atomic<>中并调用compare_exchange函数，例如：http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/atomic/compare_exchange - Nim

你每五分钟进行一次交换，却想要“最佳性能”？！ - David Schwartz

@DavidSchwartz，交换可能不是问题，但每次读取指针时检查是否正在交换可能会... - Lanting

一种方法是声明 std::atomic_int the_flipper; 并将其从 0 翻转到 1，然后再翻转回来：代码可以获取 ptr[the_flipper] 或 ptr[the_flipper^1] - 当 the_flipper 更改时会解析为不同的指针。然而，我很难想象什么情况下指针短暂相同会有影响（由于竞争条件，无论如何进行原子交换，任何同时读取两个指针的人都可能看到相同的结果），因此像 axiac 建议的那样使用两个 std::atomic_uintptr_t 和一个临时变量可能完全可以胜任。 - Tony Delroy

@Nim 确实，你说得对，问题的一部分需要安全地交换指针。我所提到的是性能问题。 - axiac

Answer 1

交换需要原子操作吗？也就是说，在交换时，您是否需要保证另一个线程不能观察到它们在交换时具有相同的值?

如果您不需要保证交换是原子的，则只需使用两个std::atomic<T *>对象，并使用临时变量进行交换：

T* tmp = p1;
p1 = p2.load();
p2 = tmp;

如果您需要交换是原子性的，则需要将它们都存储在同一个结构体中，以便可以通过单个步骤进行更新，例如，要在标准C++中执行这样的操作。

struct TwoPointers { T* p1; T* p2; }
std::atomic<TwoPointers> p;

那么你可以这样交换它们：

auto old = p.load();
p = { old.p2, old.p1 };

这里使用双字节原子操作，可能会在后台实现互斥锁，因此通过临时变量进行简单赋值可能会更快，但我怀疑每五分钟一次不会有什么区别。

上述两个版本都假定只有一个线程会尝试同时交换它们，因为虽然旧值的加载是原子的，新值的写入也是原子的，但在这两个步骤之间有一个窗口，在此期间另一个线程可以改变指针值。如果这是个问题，请改用以下的std::atomic ：

auto old = p.load();
while (!p.compare_exchange_strong(old, { old.p2, old.p1 }))
{ };

在循环中使用compare_exchange_strong比单个原子存储略慢，但如果每五分钟只发生一次，那么你不会注意到差异。

这种TwoPointers解决方案也意味着两个指针共享一个缓存行，但如果除了每五分钟的交换之外它们是只读的，那就不是问题。

- Jonathan Wakely

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万一需要，这里有一个替代的无等待解决方案：https://stackoverflow.com/a/54561350/412080 - Maxim Egorushkin