WinAPI / C++ 中的轻量级事件

Question

WinAPI / C++ 中的轻量级事件

c++performancewinapieventssynchronization

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在WinAPI/C++中是否有一些轻量级（因此快速）的事件？特别是，当事件被设置时，我对最小化等待事件所花费的时间很感兴趣（例如WaitForSingleObject()）。以下是一个代码示例，以进一步说明我的意思：

#include <Windows.h>
#include <chrono>
#include <stdio.h>

int main()
{
  const int64_t nIterations = 10 * 1000 * 1000;
  HANDLE hEvent = CreateEvent(nullptr, true, true, nullptr);
  auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
  for (int64_t i = 0; i < nIterations; i++) {
    WaitForSingleObject(hEvent, INFINITE);
  }
  auto elapsed = std::chrono::high_resolution_clock::now() - start;
  double nSec = 1e-6 * std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(elapsed).count();
  printf("%.3lf Ops/sec\n", nIterations / nSec);
  return 0;
}

在3.85GHz Ryzen 1800X上，我每秒获得7209623.405个操作，意味着平均每个检查事件是否设置需要534个CPU时钟（或138.7纳秒）。

然而，我想在性能关键代码中使用此事件，其中大多数时间实际上设置了事件，因此只是一个特殊情况的检查，在这种情况下，控制流程进入不是性能关键的代码（因为这种情况很少发生）。

WinAPI事件（使用CreateEvent创建）由于安全属性和名称而变得笨重。它们用于进程间通信。也许WaitForSingleObject()很慢是因为即使事件被设置，它仍然从用户模式切换到内核模式，然后再切换回来。此外，这个函数必须为手动和自动复位事件表现出不同的行为，检查事件类型也需要时间。

我知道可以使用atomic_flag实现快速用户模式互斥锁（自旋锁）。可以通过在自旋循环中添加std::this_thread::yield()来让其他线程在自旋时运行。

对于事件，我不想完全等价于自旋锁，因为当事件未设置时，可能需要相当长的时间才能再次设置。如果每个需要设置事件的线程都开始自旋直到再次设置它，那将是对CPU电力的巨大浪费（虽然如果它们调用std::this_thread::yield，不应影响系统性能）。

因此，我更喜欢临界区的类比，通常只在用户模式下执行工作，当它意识到需要等待时（超过自旋次数），它将切换到内核模式并在重量级同步对象（如互斥量）上等待。

UPDATE1: 我发现 .NET 有 ManualResetEventSlim，但在 WinAPI / C++ 中找不到相应的东西。

UPDATE2: 因为需要使用事件的详细信息，所以在这里提供。我正在实现一个知识库，可以在常规模式和维护模式之间切换。一些操作仅适用于维护模式，一些操作仅适用于常规模式，某些操作可以在两种模式下工作，但其中一些在维护模式下更快，另一些在常规模式下更快。每个操作在启动时都需要知道它是在维护模式还是常规模式下运行，因为逻辑会改变（或者操作根本不会执行）。用户可以随时请求在维护模式和常规模式之间切换，但这很少见。当此请求到达时，旧模式中不能启动新操作（尝试这样做将失败），应用程序等待旧模式中当前操作完成，然后切换模式。因此，轻量级事件是此数据结构的一部分：除了模式切换之外的操作必须快速完成，因此它们需要快速设置/重置/等待事件。

- Serge Rogatch

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所以我更喜欢一个关键部分的类比，为什么不使用它或者说新的Slim Reader/Writer Locks？或者你需要进程间同步？ - RbMm

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IOCP（输入/输出完成端口）是什么？ - sailfish009

将 atomic_bool 与手动重置事件对象结合起来应该很容易。当您设置或重置事件时，也设置或重置布尔值。在等待事件之前，请检查布尔值；如果已设置，则不需要等待。（我想 atomic_bool 实现效率很高，但是如果您愿意，也可以使用 Win32 原子操作。） - Harry Johnston

不了解你的情况，很难给出建议。你的目标是什么？需要同步或通知哪些代码？ - RbMm

@RbMm，我认为我已经解释了那个光事件的预期使用方式：就像在我的代码示例中一样，该事件通常是设置的，因此当事件被设置时，我希望等待它尽可能快（实际上没有任何等待）。 - Serge Rogatch

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2个回答

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另一个答案非常好，如果您可以放弃对Windows 7的支持。

但是在Win7上，如果您从多个线程多次设置/重置事件，但只需要很少地睡眠，则所提出的方法相当慢。

相反，我使用由临界区保护的布尔值，并使用条件变量来唤醒/休眠。

等待方法将使用SleepConditionVariableCS API进入内核以进行睡眠，这是预期的并且是您想要的。

然而，设置和重置方法将完全在用户模式下工作：设置单个布尔变量非常快，即在99％的情况下，临界区将执行其用户模式无锁魔术。

- Soonts

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可以查看英文原文，
原文链接

- RbMm · Accepted Answer

从win8开始，您可以使用WaitOnAddress (代替WaitForSingleObject)、WakeByAddressAll (类似于SetEvent的NotificationEvent)和WakeByAddressSingle (类似于SynchronizationEvent)来实现更好的解决方案。更多详细信息请阅读：WaitOnAddress让您创建同步对象

实现方法如下：

class LightEvent 
{
    BOOLEAN _Signaled;
public:
    LightEvent(BOOLEAN Signaled)
    {
        _Signaled = Signaled;
    }

    void Reset()
    {
        _Signaled = FALSE;
    }

    void Set(BOOLEAN bWakeAll)
    {
        _Signaled = TRUE;
        (bWakeAll ? WakeByAddressAll : WakeByAddressSingle)(&_Signaled);
    }

    BOOL Wait(DWORD dwMilliseconds = INFINITE)
    {
        BOOLEAN Signaled = FALSE;

        while (!_Signaled)
        {
            if (!WaitOnAddress(&_Signaled, &Signaled, sizeof(BOOLEAN), dwMilliseconds))
            {
                return FALSE;
            }
        }
        return TRUE;
    }
};

不要忘记将Synchronization.lib添加到链接器输入中。

这个新API的代码非常有效，它们不会为等待（如事件）创建内部内核对象，而是使用专门为此目标设计的新APIZwAlertThreadByThreadId和ZwWaitForAlertByThreadId。

在Win8之前如何实现这个？乍一看很简单——布尔变量+事件句柄。必须像这样：

void Set()
{
  SetEvent(_hEvent);
   // Sleep(1000); // simulate thread innterupted here
  _Signaled = true;
}

void Reset()
{
  _Signaled = false;
  // Sleep(1000); // simulate thread innterupted here
  ResetEvent(_hEvent);
}

void Wait(DWORD dwMilliseconds = INFINITE)
{
  if(!_Signaled) WaitForSingleObject(_hEvent);
}

但是这段代码确实是错误的。问题在于我们在Set（Reset）中进行了两个操作——更改_Signaled和_hEvent的状态，并且无法以原子/交换操作的方式从用户模式进行此操作。这意味着在线程执行这两个操作之间可能会被中断。假设有2个不同的线程在并发调用Set和Reset，则在大多数情况下，操作将按照以下顺序执行：

  SetEvent(_hEvent);
  _Signaled = true;
  _Signaled = false;
  ResetEvent(_hEvent);

这里一切正常。但是可能会出现下一个订单（取消注释一个Sleep以测试）。

  SetEvent(_hEvent);
  _Signaled = false;
  ResetEvent(_hEvent);
  _Signaled = true;

作为结果，当_Signaled为true时，_hEvent将处于复位状态。

自己实现这个原子操作而没有操作系统的支持是不简单但可能的。但首先我会看一下这个的使用方式-用于什么？事件类似的行为是否正好是你需要完成的任务所需？