双buffer切换与代码实现

概述

在很多场景需要并发的去读写数据，如下图所示：

考虑到数据写入的顺序性，通常只会有一个线程写入，读数据是可以多线程的。

由于对于Data的一次写入不是原子操作，一个常用通常的方式就是在写的时候加写锁，读的时候加读锁。这在同一个线程每次读数据没有依赖时是可行的，否则还是可能出现问题。如在一次数据处理中，先通过用户“姓名”找到Data中对应的id，再通过id去Data中查找用户其它信息。在这两步之间，写线程可能已经把该用户从Data中删除了，这时就会出现异常。如果希望在一次数据处理中保持数据视图的一致，也就是通常说的“事务性”，需要添加一些措施。

最简单的方式，将上面的读写锁改为普通互斥锁，问题就解决了。但如果写数据的时间开销较大，那么所有的读线程都需要等待数据写完后才能继续工作，无法满足对读响应实时性要求很高的场景（也是笔者目前遇到的情形）。

思路

我是这么去思考的，如果是写数据的时间开销较大，那么是否有办法缩短呢（以至于可以忽略不计的程度）。如果写的数据还可以细分，我们是可以考虑这种方案的。而本文介绍的双buffer方案则是一种空间换时间的算法，它同时存储了两份数据，读的时候去主数据中查询，而写的时候则写入备份数据中，当完成写入后将主/备数据进行交换即可。

数据读取

step1: 获取读锁，确保此时并发的写线程不会修改主数据，同时多线程读数据不会阻塞；

step2: 获取数据，如果需要保证事务性，可以在多次查询中保留读锁不释放；

step3: 释放读锁;

数据写入

step1: 获取当前的数据版本，明确哪份是主数据，哪份是备份数据

step2: 将备份数据与主数据保持同步，由于此时并未加锁，读线程仍然可以从主数据中查询数据

step3: 将数据写入备份数据中，由于此时并未加锁，读线程仍然可以从主数据中查询数据

step4: 加写锁，读数据不再允许，因为数据要改动了

step5: 更新数据版本，这是一个开销很小的操作

step6: 释放写锁

代码实现

#include 
#include 
#include 

struct DoubleBuffering {
    public:
        DoubleBuffering() {
            _mtx = std::make_shared();
        }
        
        // following two functions used in query condition
        void hold_read_lock() { return _mtx->lock_shared(); }
        void release_read_lock() { return _mtx->unlock_shared(); }

        // following function could be called with or without _mtx locked
        int get_version() { return _version;}

        void exchange() {
            std::unique_lock lock(*_mtx);
            if(_version == 0) {
                std::cout << std::chrono::duration_cast(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count() << "\tversion update from 0 to 1: " << std::endl;
                _version = 1;
            }else {
                _version = 0;
                std::cout << std::chrono::duration_cast(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count() << "\tversion update from 1 to 0: " << std::endl;
            }
        }

    public:
        int _version{0};
        std::shared_ptr _mtx{nullptr}; 
};

验证代码

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

// global variable
int number0 = 0;
int number1 = 0;
DoubleBuffering buffer;
mutex mtx;

void read_func() {
    for(int i=0; i!=10; i++) {
        buffer.hold_read_lock();
        int version = buffer.get_version();
        if(version == 0) {
            std::unique_lock lock(mtx);
            cout << i << "\t0\t" << std::chrono::duration_cast(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count() << "\t" << number0 << "\t" << number1 << endl;
        }else {
            std::unique_lock lock(mtx);
            cout << i << "\t1\t" << std::chrono::duration_cast(std::chrono::system_clock::now().time_since_epoch()).count() << "\t" << number0 << "\t" << number1 << endl;
        }
        // simulate procedure
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        buffer.release_read_lock();
    }
}

void write_func() {
    for(int i=0; i!=10; i++) {
        int version = buffer.get_version();
        if(version == 1) { // version 1 data might be using now, so we can safely sync and update number0 without lock
            // sync
            number0 = number1;
            // write new data
            number0 = number0 + i;
        }else {
            // sync
            number1 = number0;
            // write new data
            number1 = number1 + i;
        }
        buffer.exchange();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

int main() {
    // start two read threads and one write thread
    thread read1_thread(read_func);
    thread read2_thread(read_func);
    thread write_thread(write_func);
    read1_thread.join();
    read2_thread.join();
    write_thread.join();
    return 0;
}

总结

这种双buffer切换的方式主要适合读高频，写低频，且读对数据响应的实时性要求很高的场景。它也会有“弱点”，可能在以下场景下不再合适：

如果对写入的实时性较高，同时读数据一次事务的时间较长，这样写数据会被阻塞住；

如果读/写入的频率都很高，写操作被阻塞的可能性也很大，造成写入的吞吐量降低。