任意大小的数据/向量/数组的原子和无锁写入

Question

我正在尝试实现以下功能：

• 具有任意大小的数据类型的原子和无锁的写入或读-修改-写入(在我的例子中，通常是包含最多6个元素的浮点/int向量)。
• 从上述数据类型读取的原子数据类型，不阻止写入线程。读取操作可以被写入操作阻止。

Usecase:我正在为数控机床编写软件。电机的步进脉冲是在实时线程中在软件中生成的。这个实时线程不断更新一个保持轴当前位置的变量。多个其他非实时线程可以读取该变量，例如显示当前位置。

问题1:对于这类问题是否有标准/公认的解决方案或模式？

我想出了以下想法:使用std::atomic<uint64_t>保护线程当前正在写入的数据和跟踪天气(通过检查最后一个位)或从读取开始就已经写入(通过增加写入的值)。

template <class DATA, class FN>
void read_modify_write(DATA& data, std::atomic<uint64_t>& protector, FN fn)
{
  auto old_protector_value = protector.load();
  do
  {
    // wait until no other thread is writing
    while(old_protector_value % 2 != 0)
      old_protector_value = protector.load();

    // try to acquire write privileges
  } while(!protector.compare_exchange_weak(old_protector_value, old_protector_value + 1));

  // write data
  data = fn(data);

  // unlock
  protector = old_protector_value + 2;
};

template <class DATA>
DATA read(const DATA& data, std::atomic<uint64_t>& protector)
{
  while(true)
  {
    uint64_t old_protector_value = protector.load();

    // wait until no thread is writing
    while(old_protector_value % 2 != 0)
      old_protector_value = protector.load();

    // read data
    auto ret = data;

    // check if data has changed in the meantime
    if(old_protector_value == protector)
      return ret;
  }
}

问题2:上述代码线程安全并满足上述要求吗？

问题3:可以改进吗？

(我能找到的唯一理论问题是，如果计数器环绕，即在1读操作期间执行2^63写入操作。如果没有更好的解决方案，我认为这个弱点是可以接受的。)

谢谢

Answer 1

严格地说，您的代码不是无锁的，因为您有效地使用protector的LSB实现自旋锁。

您的解决方案看起来非常像一个序列锁。然而，实际的读取操作auto ret = data;严格来说是一种数据竞争。公平地说，在C++17中编写完全符合标准的seqlock是不可能的，因为我们必须等待C++20。

可以扩展seqlock，使读取操作无锁，而代价是更高的内存使用量。其思想是拥有多个数据实例(让我们将它们称为时隙)，并且写操作总是以循环方式写入下一个插槽。这允许读取操作从最后一个完全写入的槽中读取。德米特里·维尤科夫( Dmitry )在改进的无锁SeqLock中描述了他的做法。您可以看看我的seqlock实现，它是我xenium库的一部分。它还允许使用可配置的槽数进行无锁读取操作(尽管它与Vyukov在找到最后一个完整写入的插槽方面略有不同)。