Verwenden atomare Variablen für komplexe Datenstrukturen wirklich Sperren, und wenn ja, wie?

Atomvariablen und Sperren

Im Bereich der Multithread-Programmierung spielen atomare Variablen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung einer konsistenten Datenmanipulation. Wenn es jedoch um komplexe Datenstrukturen wie foo mit mehreren Elementen geht, bestehen Bedenken hinsichtlich des Vorhandenseins von Sperren innerhalb atomarer Variablen.

Das Rätsel der atomaren Variablen und Sperren

Trotz der Vermutung, dass größere Atomtypen Sperren erfordern, deuten Beobachtungen auf das Gegenteil hin. Der folgende Codeausschnitt demonstriert dieses Phänomen:

#include <iostream>
#include <atomic>

struct foo {
    double a;
    double b;
};

std::atomic<foo> var;

int main()
{
    std::cout << var.is_lock_free() << std::endl;
    std::cout << sizeof(foo) << std::endl;
    std::cout << sizeof(var) << std::endl;
}

Die Ausgabe dieses Codes ist:

0
16
16

Wie Sie sehen können, gibt die Methode is_lock_free() 0 für die atomare Variable var zurück , dennoch bleibt seine Größe identisch mit der der zugrunde liegenden Datenstruktur foo. Dies hat zu Fragen geführt: Wo wird die Sperre gespeichert und wie wirkt sie sich auf mehrere Instanzen der atomaren Variablen aus?

Enthüllung des Sperrmechanismus

Die gemeinsame Implementierung von Sperren innerhalb atomarer Variablen beinhalten eine Hash-Tabelle von Mutexes. Die Adresse des atomaren Objekts dient als Schlüssel und weist es einem eindeutigen Schloss zu. Diese Hash-Funktion stellt sicher, dass mehrere atomare Variablen unterschiedlichen Sperren zugeordnet werden, wodurch ihre Zugriffsvorgänge effektiv isoliert werden.

Mögliche Auswirkungen und Leistungsüberlegungen

Kollisionen innerhalb der Hash-Tabelle können dazu führen Mehrere atomare Objekte teilen sich dieselbe Sperre. Dies beeinträchtigt zwar nicht die Korrektheit, kann jedoch zu Leistungsengpässen führen. Anstelle eines unabhängigen Konflikts zwischen verschiedenen Objekten können mehrere Threads um den Zugriff auf die gemeinsame Sperre konkurrieren.

Keine Deadlocks

Es ist wichtig zu beachten, dass Deadlocks in nicht möglich sind Dies geschieht in diesem Zusammenhang, da std::atomic-Operationen niemals versuchen, Sperren für mehrere Objekte gleichzeitig zu erlangen. Dieses Design stellt sicher, dass zusätzliche Konflikte die Korrektheit nicht beeinträchtigen, aber die Leistung beeinträchtigen können.

Fazit

Atomvariablen verwenden einen Sperrmechanismus für komplexe Datenstrukturen, um die Datenintegrität aufrechtzuerhalten. Diese Sperren werden typischerweise als Hash-Tabelle von Mutexes implementiert, wobei die Adresse der atomaren Variablen als Schlüssel dient. Während gemeinsame Sperren zu Leistungsproblemen führen können, werden Deadlocks durch das Design von std::atomic-Funktionen verhindert.

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