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c++中如何保持结构体的线程安全？3D坐标的线程安全：从理论到最优解

article 2024/12/22 18:30:05

使用mutex的困扰

struct Point3d {
    std::mutex mtx;
    double x, y, z;
    
    void set(double nx, double ny, double nz) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        x = nx; y = ny; z = nz;
    }
};

这种方案虽然安全，但性能开销确实不小。每次访问都需要加锁解锁，在高频访问场景下会造成明显的性能瓶颈。

atomic的局限性

struct Point3d {
    std::atomic<double> x, y, z;
};

看似完美，但实际使用中会发现：原子操作虽然保证了单个坐标的线程安全，但无法保证三个坐标更新的原子性。

更好的解决方案

双缓冲技术（推荐）

struct Point3d {
    struct Data {
        double x, y, z;
    };
    std::array<Data, 2> buffers;
    std::atomic<int> current{0};
    
    void set(double nx, double ny, double nz) {
        int next = (current + 1) % 2;
        buffers[next] = {nx, ny, nz};
        current.store(next, std::memory_order_release);
    }
    
    Data get() const {
        return buffers[current.load(std::memory_order_acquire)];
    }
};

无锁CAS方案

struct Point3d {
    struct alignas(16) Data {
        double x, y, z;
    };
    std::atomic<Data> data;
    
    void set(double nx, double ny, double nz) {
        Data newData = {nx, ny, nz};
        Data oldData = data.load();
        while(!data.compare_exchange_weak(oldData, newData));
    }
};