Boost Interprocess と Lockfree を使用して、大規模な循環バッファーを使用する共有メモリ シナリオでロックフリー同期を実現するにはどうすればよいですか?

ロックフリーの共有メモリ IPC 同期

複数のプロセスと大規模な循環バッファを備えた共有メモリのシナリオでは、効果的な同期を達成することが課題となります。この記事では、この問題に対処するために、Boost Interprocess と Boost Lockfree を使用したロックフリーのアプローチについて説明します。

Boost Interprocess と Lockfree

Boost Interprocess は共有メモリのサポートを提供し、Boost Lockfree はプロデューサーを提供します。コンシューマ キューの実装 (spsc_queue)。このキューは循環バッファに似ています。

共有キューの実装

Boost Interprocess と Lockfree を使用した次の例を考えてみましょう。

<code class="cpp">// Shared Memory Types
namespace shm
{
    using shared_string = bip::basic_string<char, std::char_traits<char>, char_alloc>;
    using ring_buffer = boost::lockfree::spsc_queue<
        shared_string, 
        boost::lockfree::capacity<200> 
    >;
}</code>

これは共有文字列タイプを定義します。共有セグメントからのメモリと、200 要素の容量を持つ共有リング バッファを割り当てます。

コンシューマ実装

<code class="cpp">// Consumer Side
int main()
{
    // Open or create shared memory segment
    bip::managed_shared_memory segment(bip::open_or_create, "MySharedMemory", 65536);
    
    // Find or construct shared queue
    shm::ring_buffer *queue = segment.find_or_construct<shm::ring_buffer>("queue")();
    
    // Infinite loop to process messages
    while (true)
    {
        // Sleep for 10ms
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10));
        
        // Allocate shared string to receive message
        shm::shared_string v(char_alloc);
        
        // Pop message from queue
        if (queue->pop(v))
            std::cout << "Processed: '" << v << "'\n";
    }
}</code>

コンシューマは、メッセージの共有キューを継続的に監視し、それらを10 ミリ秒のスリープ間隔。

プロデューサーの実装

<code class="cpp">// Producer Side
int main()
{
    // Open or create shared memory segment
    bip::managed_shared_memory segment(bip::open_or_create, "MySharedMemory", 65536);
    
    // Find or construct shared queue
    shm::ring_buffer *queue = segment.find_or_construct<shm::ring_buffer>("queue")();
    
    // Produce messages
    for (const char* s : { "hello world", "the answer is 42", "where is your towel" })
    {
        // Sleep for 250ms
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(250));
        
        // Push message to queue
        queue->push({s, char_alloc});
    }
}</code>

プロデューサーは、250 ミリ秒の間隔で 3 つのメッセージを共有キューに送信します。

ロックフリー同期

Boost Lockfree の spsc_queue を利用することで、プロデューサーとコンシューマーはロック機構なしで通信できます。キューの実装により、バッファへの書き込みがコンシューマに即座に表示されるようになり、GCC を使用するコンパイラ バリアで発生する可視性の問題が解決されます。

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