如何创建线程安全的缓冲区/POD？

Question

我的问题可能很常见，但它让我发疯：

我有一个多线程应用程序，其中有5个线程。其中4个线程执行它们的任务，例如网络通信和本地文件系统访问，然后将它们的输出都写入该数据结构中：

struct Buffer {
  std::vector<std::string> lines;
  bool has_been_modified;
}

第5个线程将这些缓冲区/结构打印到屏幕上。

Buffer buf1, buf2, buf3, buf4;

...

if ( buf1.has_been_modified || 
     buf2.has_been_modified || 
     buf3.has_been_modified || 
     buf4.has_been_modified )
{
  redraw_screen_from_buffers();
}

我如何在缓冲区正在进行读写操作时保护它们不被覆盖？

虽然我认为这应该是一个很普遍的问题，但我找不到合适的解决方案。

谢谢。

- dummy

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使用互斥锁 - Diego

谢谢您的回复。我在多线程方面经验不是很丰富。能否给我一个简短的例子？ - dummy

你询问POD的原因是什么？（请注意，目前被接受的答案并没有描述POD） - user1084944

是的，我不想围绕我的“struct”构建一个大类，并添加getter和setter。而且，称我的“struct”为缓冲区对我来说似乎并不完全正确，因此我添加了POD。 - dummy

Answer 1

你应该使用互斥锁。互斥锁类是std::mutex。在C++11中，您可以使用std::lock_guard<std::mutex>来封装互斥锁，使用RAII。因此，您需要将Buffer结构体更改为

struct Buffer {
   std::vector<std::string> lines;
   bool has_been_modified;
   std::mutex mutex;
};

每当您读取或写入缓冲区或 has_been_modified 时，都需要执行以下操作：

std::lock_guard<std::mutex> lockGuard(Buffer.mutex); //Do this for each buffer you want to access
... //Access buffer here

当使用lock_guard时，互斥锁会在它被销毁时自动释放。

你可以在这里了解更多关于互斥锁的内容。

- phantom

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谢谢！这正是我需要的！ - dummy

@user4832939 - 虽然你明确要求的是互斥锁，但你所描述的情况似乎是条件变量的有效用例。请查看Schultz9999的答案以获取详细信息。 - Daniel Kamil Kozar

读取或修改缓冲区，或者也要修改 has_been_modified 布尔值。不仅仅是修改。(更具体地说，如果有可能在读取时有其他线程正在写入，那么还需要在读取周围进行锁定) 查找“竞争条件”的定义。 - Andre Kostur

@AndreCostur 发现得好！已修复。 - phantom

Answer 2

你可以在缓冲区周围使用互斥锁（或互斥量），以确保它们不会被多个线程同时修改。

// Mutex shared between the multiple threads
std::mutex g_BufferMutex;

void redraw_screen_from_buffers()
{
   std::lock_guard<std::mutex> bufferLockGuard(g_BufferMutex);
   //redraw here after mutex has been locked.
}

那么您的缓冲修改代码在修改缓冲时也必须锁定相同的互斥对象。

void updateBuffer()
{
   std::lock_guard<std::mutex> bufferLockGuard(g_BufferMutex);
   // update here after mutex has been locked
}

这里 包含了一些互斥锁的示例。

- lcs

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糟糕，这意味着一次只能修改一个缓冲区。 - Krab

@Krab 然后每个缓冲区使用一个互斥锁，redraw_screen_from_buffers 函数在重新绘制之前会锁定所有的互斥锁。 - lcs

Answer 3

您似乎想要实现的是多个线程/工作者和一个观察者。只有在所有工作者完成/发出信号时，后者才需要执行其工作。如果是这种情况，请查看此SO q / a中的代码。 std :: condition_variable - 等待多个线程通知观察者

- Schultz9999

Answer 4

当我们试图避免数据竞争时，互斥锁是一种非常好的工具。我相信@Phantom发布的答案能够满足大多数人的需求。但是，需要知道的是，这种方法在大型系统中并不可扩展。

通过加锁，您可以同步线程。由于只有一个线程可以访问向量，一个线程写入容器将导致另一个线程等待它完成...这对您可能是好事，但在需要高性能时会导致严重的性能瓶颈。

最好的解决方案是使用更复杂的无锁结构。不幸的是，我认为STL中没有任何标准的无锁结构。一个无锁队列的例子可以在这里找到。

使用这样的结构，您的4个工作线程可以将消息排队到容器中，而第5个线程将取出它们，而不会发生任何数据竞争。

在此处了解更多关于无锁数据结构的内容！

- Amxx