多线程向量答案

【问题标题】：multithread vector多线程向量
【发布时间】：2012-06-22 00:23:25
【问题描述】：

我正在使用 C++ 开发一个项目，该项目使用自创地图来存储数据 - 从这个意义上说，地图更像是“地理”地图，所以是图像。有不同的线程读取和写入它。地图的数据存储在整数向量的标准向量中。它的大小不变，只是通过getter和setter函数改变某些像素的内容。

我的问题如下：有时一切都很好，但更多时候我得到损坏的图像，因为像素的值改变了符号或变得与它们应该的完全不同。这可能是对像素的线程读/写访问的问题，如果是这样，我应该使用什么来代替标准向量？我尝试使用互斥锁来确保只有一个线程读取或写入向量，但是这些读/写操作经常发生，如果我在每次操作时锁定向量，应用程序就会变得太慢。

【问题讨论】：

你应该使用一维向量。它的性能优于 2D。
原子操作可以解决问题，看看你怎么说“大小不会改变，只有通过 getter 和 setter 函数的某些像素的内容”。此外，尝试对访问进行“分区”（即不同的线程不会同时修改完全相同的像素）以最大程度地减少缓存中毒。当然，这并不能确保两个相邻像素彼此一致，但是如果您以混乱的方式修改它们，再次锁定也不能保证这一点。但是，它将保证，例如同时递增和递减的值不会得到“奇怪”的结果。
@Damon：我相信 C++11 中定义的内存模型旨在确保不会发生像您描述的相邻像素的效果。见here。
@BjörnPollex：我不明白它是怎么做到的。正确分区（例如，线程 1 在像素 0-999 上运行内核，线程 2 在 1000-1999 上，线程 3 在 2000-2999 上）无论如何都不会发生。然而，想象一下“线程读取和写入”，即线程 1 更新（原子地，正确地）值 20 到 50，而线程 2 读取值 30 和 40 作为输入值以计算值 200。即使两个值都正确更新，也有无法判断整个数据集是否一致没有锁。编译器应该如何在不知道可能正在运行的线程的情况下执行此操作？
另一方面，假设线程 1 和 2 都在地图上或多或少相同的区域（重叠）中绘制“山丘”，即它们根据一些距离函数。他们都使用原子增量，并且看到它“正常工作”（尽管它是缓存的噩梦）。在这种情况下，硬件可以发挥所有作用。这在很大程度上取决于您是编写、读取-修改-更新还是读取-修改-更新并读取另一个位置。

标签： c++ multithreading vector

【解决方案1】：

您将需要某种锁定。为防止这严重影响您的性能，您应该尝试使锁的范围尽可能小。例如，您可以锁定单个行向量，以便在不同行上的写入不会相互干扰。哪种解决方案最适合您取决于您的访问模式和平台。

【讨论】：

非常感谢。我将尝试仅锁定一小部分矢量以进行写入 - 我是否也需要将其锁定在读取运算符中？
这取决于你想对数据做什么。如果您只阅读，则不需要锁。如果您从正在写入的区域读取，则需要一个锁 - 但您可以使用Readers-Writer Lock。也许在你的场景中，如果你只有一个作家，你甚至可以没有锁——你有时可能会读取不一致的数据，但取决于你用它做什么，这可能是也可能不是问题。

【解决方案2】：

在做多线程的时候，尽量把线程的作用域隔离开来。

考虑并举例。想象一下，你有一堵墙，你想让它涂上黑白条纹。为了加快工作速度，您决定雇用两名员工。

现在，您可以通过两种方式分配此工作。 1. 将黑色条纹分配给一名工人，将白色条纹分配给另一名工人。 2. 将墙分成两个分区，左侧分区分配给一名工人，右侧部分分配给第二名工人

现在哪一个可能会产生更好的性能？

在一般情况下，第二种情况更好，因为工人的工作区域分隔良好，一个人不需要等待另一个人完成他的工作。当然第一种方法没有错，但是，有可能一个工人正在某个地方绘画，而第二个工人也可能到达同一个地方，并且必须等待第一个工人完成。现在想象一下，如果你有 10 名工人，每人只涂一种特定的颜色会发生什么。

多线程编程是类似的。如果您能以更好的方式对问题数据进行分区，则可以使线程有效地工作。

【讨论】：

不幸的是，在大多数线程的情况下这是不可能的 - 总是有两个线程在向量的同一部分工作。还有更多这样的线程组——它们大多是孤立的。

【解决方案3】：

使用轻量级锁。那是在 Windows 上使用“CriticalSection”。或者编写自己的用户空间锁，例如就像在 TinyThread (http://tinythreadpp.bitsnbites.eu/) 中一样。这些是用 ASM 编写的，实际锁定和解锁的开销几乎为零。
一旦您确定锁本身很快，如果事情仍然运行缓慢，那是因为您有锁争用。例如。多个线程都需要锁定相同的资源。在您的用例中，请考虑类似“读/写”互斥锁。这是一个具有读互斥锁和写互斥锁的类。互斥体上的“readLock”方法仅锁定几个周期以增加互斥体上的引用计数。 “readUnlock”确实会减少引用计数。 "writeLock" 锁定读取互斥体，并设置一个标志以防止读取器锁定读取互斥体。然后锁定写互斥体并执行写操作。因此，您可以保证一次只能发生一次写入操作，并且在写入期间不会发生读取。但允许同时读取。

【讨论】：

您的第二个选项听起来更像是读/写锁，而您可以同时进行多次读取与一次写入互斥。 en.wikipedia.org/wiki/Read/write_lock_pattern
是的。就是这样。称它为读/写互斥锁是错误的吗？所有写操作都是互斥的。
我不会说它错了，但它通常被称为读/写锁。