多线程访问共享资源

Question

我目前正在研究一个粒子系统，它使用一个线程，首先更新粒子，然后绘制。粒子存储在std::vector 中。我想将更新功能移至单独的线程以提高系统性能。然而，这意味着当更新线程和绘制线程同时访问std::vector 时我会遇到问题。我的更新函数将改变所有粒子的位置和颜色，并且几乎总是调整std::vector的大小。

单线程方法：

std::vector<Particle> particles;
void tick() //tick would be called from main update loop
{
    //slow as must wait for update to draw
    updateParticles();
    drawParticles();
}

多线程：

std::vector<Particle> particles;
//quicker as no longer need to wait to draw and update
//crashes when both threads access the same data, or update resizes vector
void updateThread()
{
    updateParticles();
}
void drawThread()
{
    drawParticles();
}

为了解决这个问题，我使用std::mutex 进行了调查，但在实践中，由于大量粒子，线程的持续锁定意味着性能没有提高。我也调查了std::atomic，但是，粒子和std::vector 都不能简单地复制，因此也不能使用它。

使用互斥锁的多线程：

注意：我使用的是 SDL 互斥锁，据我所知，原理是一样的。

SDL_mutex mutex = SDL_CreateMutex();
SDL_cond canDraw = SDL_CreateCond();
SDL_cond canUpdate = SDL_CreateCond();
std::vector<Particle> particles;
//locking the threads leads to the same problems as before, 
//now each thread must wait for the other one
void updateThread()
{
    SDL_LockMutex(lock);
    while(!canUpdate)
    {
        SDL_CondWait(canUpdate, lock);
    }
    updateParticles();
    SDL_UnlockMutex(lock);
    SDL_CondSignal(canDraw);
}
void drawThread()
{
    SDL_LockMutex(lock);
    while(!canDraw)
    {
        SDL_CondWait(canDraw, lock);
    }
    drawParticles();
    SDL_UnlockMutex(lock);
    SDL_CondSignal(canUpdate);
}

我想知道是否还有其他方法可以实现多线程方法？从本质上防止两个线程同时访问相同的数据，而不必让每个线程等待另一个。我曾考虑过制作要从中绘制的向量的本地副本，但这似乎效率低下，并且如果更新线程在复制向量时更改了向量，可能会遇到同样的问题？

Answer 1

我会使用更精细的锁定策略。我不会在vector 中存储particle 对象，而是存储指向不同对象的指针。

struct lockedParticle { particle* containedParticle; SDL_mutex lockingObject; };

在updateParticles() 中，我将尝试使用SDL_TryLockMutex() 获取单个锁定对象 - 如果我无法获得对互斥体的控制，我会将指向此特定lockedParticle 实例的指针添加到另一个向量，然后重试更新它们。

我会在drawParticles() 中遵循类似的策略。这依赖于这样一个事实，即绘制顺序对于粒子来说并不重要，这通常是这种情况。

Answer 2

如果数据一致性不是问题，您可以通过将向量封装在自定义类中并仅在单个读/写操作上设置互斥锁来避免阻塞整个向量，例如：

struct SharedVector
{
    // ...
    std::vector<Particle> vec;

    void push( const& Particle particle )
    {
       SDL_LockMutex(lock);
       vec.push_back(particle);
       SDL_UnlockMutex(lock);
    }
}
//...
SharedVector particles;

那么当然需要修改updateParticles() 和drawParticles() 以使用新类型而不是std::vector。

编辑： 您可以通过在updateParticles() 和drawParticles() 方法中使用互斥体来避免创建新结构，例如

void updateParticles()
{
    //... get Particle particle object
    SDL_LockMutex(lock);
    particles.push_back(particle);
    SDL_UnlockMutex(lock);
}

drawParticles() 也应该这样做。

Answer 3

如果向量一直在变化，你可以使用两个向量。 drawParticles 将拥有自己的副本，updateParticles 将写入另一个副本。完成这两个功能后，将updateParticles 使用的向量交换、复制或移动到drawParticles 使用的向量。 （updateParticles 可以从 drawParticles 使用的相同向量读取当前粒子位置，因此您不需要创建一个完整的新副本。）无需锁定。