Conway生命游戏的多线程Java程序 - 边界单元的争用

Question

我正在学习java中的并发编程，并为Game of Life编写模拟。

以下是我的想法：

• 使用int [] []存储单元格的状态
• 将int [] []分区为t段并使用t worker threads
• t个线程将从其段读取，计算其段中所有单元格的新值并更新单元格。
• 一旦完成计算，他们就会等待其他工人完成障碍
• 当屏障越过时，主线程将更新UI。
• 工人们继续计算下一个州。

现在，各个细分市场的共同边界将会发生争执。如果一个线程在其邻居读取了之前的值之前覆盖了边界单元的状态，则该邻居的计算将是错误的。

我有什么选择？

• 使用callable而不是runnable并让工作线程返回新值（而不是更新段本身）。穿过屏障后，主线程可以更新矩阵。此选项涉及将工作线程返回的结果复制到矩阵中。
• 使用两个障碍。工作者线程从邻居的段中复制边界单元格并在第一道屏障处等待。一旦通过此障碍，他们就会继续计算下一个状态并更新到位。然后他们在第二道屏障等候。主线程更新UI。

我的问题是，有没有其他方法可以处理边界单元格的争用，不涉及复制数据或更高效以上两个选项？可能是使用ReaderWriterLock，volatile变量还是其他同步机制？

更新：到目前为止，double buffering solution by Peter是最干净的。但我有一个问题。 由于这两个数组是共享数据而我们没有使用任何同步（同步访问或volatile变量），它是否会产生可见性问题？多个CPU可以缓存数组值并在每次迭代时只更新数组的一部分吗？然后线程将获得边界单元格的陈旧值。这可能吗？如果没有，为什么。如果是，我该如何解决？似乎是declaring two arrays volatile will not make their individual elements volatile。

Answer 1

我建议有2个int [] []数组。我们称它们为A和B. A将保留所有奇数编号“ticks”的值，B将保持偶数编号的滴答。

将A初始化为初始状态。然后让你的线程松散以计算每个单元格的下一个状态，并将结果放在B中的相应单元格中。 完成所有线程后，您将在B中获得新状态。现在，使用B计算每个单元格的下一个状态，并将结果存储在A中。在任何给定时间，一个数组将只读，另一个数组只写，所以永远不会有任何争用。

优点：

• 与您现在所做的相比，不会复制数据。每个单元格只发生一次写入。
• 不必担心边缘/角落情况，因为算法很简单。
• 没有持续的内存分配。只需在启动时分配两个数组。

缺点：

• 你需要分配两倍的内存。

Answer 2

它没有回答你的实际问题，但我的推荐是你的第一个选择...返回新值而不是让工作线程更新它们。我更进一步，让“聚合器”将工作线程的结果合并到一个新的板状态数组中，然后丢弃第一个。我的理由是它会提高逻辑的整体可读性，因为你不得不担心“全球互动”几乎没有。

话虽如此，我有点偏颇，因为我更喜欢以功能性方式编程，除非有充分的理由不这样做。

Answer 3

我会尝试以下方法：

• 让工作人员执行计算，但只将值写回内部单元格。
• 对于边框单元格，请存储结果。
• 计算完成后，请等待屏障。
• 当所有工作人员都处于第一道屏障时，然后释放并允许每个工作人员编写边界单元格。
• 在UI更新时等待第二道屏障

n x m磁贴所需的存储空间为2 * (n + m - 1)，因此通常较大的磁贴（8x8或更多）需要按比例减少缓存值的内存。

Answer 4

我偶然发现java.util.concurrent.Exchanger<V>。它充当交换点。我可以用它来交换相邻线程之间的单元状态列表。这比屏障更好，因为我只需要在相邻的工作人员之间进行同步。

Answer 5

要回答有关双缓冲的缓存问题的更新，这不是问题。 CPU具有一致的缓存，并且知道何时在另一个cpu缓存中更改了数据。