如何正确实现三重缓冲？

Question

我正在尝试模拟视频卡（生产者线程）和监视器（消费者线程），以弄清楚在教育目的上发生了什么。所以这是技术任务描述：

生产者线程以 1000 fps 的速度产生帧像素数据。消费者线程以 60 fps 的速度运行，并且每一帧它必须至少有 1/60 秒的时间访问最后生成的帧。为简单起见，每一帧都由一些 int* 表示。

所以我的解决方案是我有 2 个指针的数组：一个用于生产者，一个用于消费者。再加上一些免费的、未使用的指针，在任何给定的时间都不为消费者或生产者所有。

#define Producer 0
#define Consumer 1
int* usedPointers[2];
std::atomic<int*> freePointer;

生产者总是将帧像素写入 usedPointers[Producer]，然后 usedPointers[Producer] = freePointer.exchange(usedPointers[Producer], memorySemanticsProducer);，这样最后完全生产的帧现在由 freePointer 指向，并且可以自由写入新框架，不破坏最后实际完整的框架。
消费者 usedPointers[Consumer] = freePointer.exchange(usedPointers[Consumer], memorySemanticsConsumer); 以便它拥有最后的实际帧数据，然后可以根据需要自由访问 usedPointers[Consumer]。

如有错误请指正

我想念memorySemanticsXXX。 There are descriptions 但我无法弄清楚我应该在每个线程中使用哪个以及为什么。所以我想就此寻求一些提示。

Answer 1

memorySemanticsXXX 您提到的是围绕 exchange() 行的其余代码。 std::atomic::exchange() 的默认行为是使用 memory_order_seq_cst（您未使用 exchange() 的第二个参数）。

这同时意味着三件事：

您在 exchange() 调用之前编写的任何代码都保证在该调用之前执行（否则编译器优化可以重新排序您的代码）和该执行的结果将在进行 exchange() 调用之前在所有其他线程中可见（CPU 缓存传播）。
与前面相同，但您在 exchange() 行之后编写的代码。
exchange() 调用前后的所有代码都按照您编写的确切顺序执行（包括其他原子操作）。

所以，重点是您可以选择不设置这些限制中的一个、两个或所有三个，这可以为您带来速度提升。你不应该为这个 烦恼，除非你有性能瓶颈 。如果没有瓶颈，那么只需使用不带第二个参数的 std::atomic（它将采用默认值）。

如果您没有使用所有三个限制，则在编写代码时必须非常小心，否则它可能会意外崩溃。

在此处阅读更多相关信息：Memory order

How to correctly implement triple buffering?