我有一个多线程科学应用程序，其中几个计算线程(每个内核一个)必须将它们的结果存储在一个公共(public)缓冲区中。这需要互斥机制。

工作线程只花费一小部分时间写入缓冲区，因此互斥锁大部分时间都处于解锁状态，并且锁定很有可能立即成功，而无需等待另一个线程解锁。

目前，我已经使用 Qt 的 QMutex 来完成这项任务，并且效果很好:互斥锁的开销可以忽略不计。

但是，我只需要将它移植到 c++11/STL。使用 std::mutex 时，性能下降 66%，线程大部分时间都在锁定互斥锁。

在另一个问题之后，我认为 Qt 使用基于简单原子标志的快速锁定机制，针对互斥锁尚未锁定的情况进行了优化。并在并发锁定发生时回退到系统互斥锁。

我想在 STL 中实现它。有没有一种基于 std::atomic 和 std::mutex 的简单方法？我已经深入研究了 Qt 的代码，但它对我的使用来说似乎过于复杂(我不需要锁超时、pimpl、占用空间小等...)。

编辑:我尝试了自旋锁，但效果不佳，因为:

定期(每隔几秒)，另一个线程锁定互斥体并刷新缓冲区。这需要一些时间，因此此时所有工作线程都会被阻塞。自旋锁使调度变得忙碌，导致刷新比使用适当的互斥锁慢 10-100 倍。这是 Not Acceptable

编辑:我已经尝试过了，但它不起作用(锁定所有线程)

class Mutex
{
public:
    Mutex() : lockCounter(0) { }

    void lock()
    {
        if(lockCounter.fetch_add(1, std::memory_order_acquire)>0)
        {
            std::unique_lock<std::mutex> lock(internalMutex);
            cv.wait(lock);
        }
    }

    void unlock();
    {
        if(lockCounter.fetch_sub(1, std::memory_order_release)>1)
        {
            cv.notify_one();
        }
    }


private:
    std::atomic<int> lockCounter;
    std::mutex internalMutex;
    std::condition_variable cv;
};

谢谢!

编辑:最终解决方案

MikeMB 的快速互斥体运行良好。

作为最终解决方案，我做了:

• 使用带有 try_lock 的简单自旋锁
• 当一个线程尝试锁定失败时，它们不会等待，而是填充一个队列(不与其他线程共享)并继续
• 当线程获得锁时，它会使用当前结果更新缓冲区，同时也会使用存储在队列中的结果(它会处理其队列)
• 缓冲区刷新效率更高:阻塞部分仅交换两个指针。

最佳答案

一般建议

正如一些评论中提到的，我先看看你是否可以重组你的程序设计，使互斥锁实现对你的性能不那么重要。
此外，由于标准 c++ 中的多线程支持非常新且有些幼稚，因此您有时只需要依靠平台特定的机制，例如linux 系统上的 futex 或 windows 上的关键部分或 Qt 等非标准库。
话虽如此，我可以想到两种可能会加速您的程序的实现方法:

自旋锁
如果访问冲突很少发生，并且互斥锁只保留很短的时间(当然应该努力实现两件事)，那么只使用自旋锁可能是最有效的，因为它不需要任何系统完全调用并且实现起来很简单(取自 cppreference):

class SpinLock {
    std::atomic_flag locked ;
public:
    void lock() {
        while (locked.test_and_set(std::memory_order_acquire)) { 
             std::this_thread::yield(); //<- this is not in the source but might improve performance. 
        }
    }
    void unlock() {
        locked.clear(std::memory_order_release);
    }
};

当然，缺点是等待线程不会保持休眠并占用处理时间。

检查锁定

这本质上是您展示的想法:您首先快速检查，是否确实需要基于原子交换操作的锁定，并且仅在不可避免时才使用繁重的 std::mutex。

struct FastMux {
    //Status of the fast mutex
    std::atomic<bool> locked;
    //helper mutex and vc on which threads can wait in case of collision
    std::mutex mux;
    std::condition_variable cv;
    //the maximum number of threads that might be waiting on the cv (conservative estimation)
    std::atomic<int> cntr; 

    FastMux():locked(false), cntr(0){}

    void lock() {
        if (locked.exchange(true)) {
            cntr++;
            {
                std::unique_lock<std::mutex> ul(mux);
                cv.wait(ul, [&]{return !locked.exchange(true); });
            }
            cntr--;
        }
    }
    void unlock() {
        locked = false;
        if (cntr > 0){
            std::lock_guard<std::mutex> ul(mux);
            cv.notify_one();
        }
    }
};

注意 std::mutex 在 lock() 和 unlock() 之间没有被锁定，它只用于处理条件变量。如果互斥体上存在高度拥塞，这会导致更多的锁定/解锁调用。

您的实现的问题是，cv.notify_one(); 可能会在 if(lockCounter.fetch_add(1, std::memory_order_acquire)>0) 之间调用code> 和 cv.wait(lock); 所以你的线程可能永远不会被唤醒。

不过，我没有与您提议的实现的固定版本进行任何性能比较，因此您只需要查看最适合您的版本即可。

关于c++ - 实现一个类似于 Qt 的高性能互斥锁，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/29193445/