MergeCell 合并机制:双平台事件流去重

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MergeCell 合并机制:双平台事件流去重

项目链接:github.com/DeguiLiu/co…

同一目标、同一信号的事件可能以极高频率到达(传感器 1 kHz 上报,消费方只要 100 Hz 的最新值)。逐个传递浪费——消费方只关心最新值。需要一个合并单元:把同一 (target, signal) 的后续事件合并进单个槽位,只保留最新状态。

naive 的方案是锁保护一个槽位,但 ISR 上下文不能持有锁。MergeCell 用单个 std::atomic 状态 + CAS 状态机实现无锁合并。

四态状态机

stateDiagram-v2
    [*] --> Empty
    Empty --> Published: try_publish() 置入新事件
    Published --> Merging: try_acquire_merge() producer 认领覆写
    Merging --> Published: release_merge() 覆写完成
    Published --> Consuming: take_owning() dispatcher 取走所有权
    Consuming --> Empty: release_empty() event_gc 后归位

    note right of Empty: 槽位空闲
    note right of Published: 持有已 post 事件<br/>可合并/可取走
    note right of Merging: 生产者覆写 payload<br/>独占,其余 CAS 失败
    note right of Consuming: dispatcher 消费中<br/>只允许归位

四个状态对应四种并发角色,全部通过 compare_exchange_strong 转移:

状态持有者允许的下一个动作
Empty无try_publish 置入新事件
Published已 post 的 Event*try_acquire_merge(覆写)/ take_owning(取走)
Merging认领 merge 的 producerrelease_merge 回到 Published
Consuming取走的 dispatcherrelease_empty 回到 Empty

CAS 失败永不阻塞

与 Treiber 栈不同,MergeCell 的 CAS 失败不重试、不旋转。每个转移方法失败就返回 false,调用方走降级路径:

flowchart TD
    A[producer 提交新事件] --> B{try_acquire_merge?}
    B -- 成功 --> C[覆写 payload] --> D[release_merge]
    B -- 失败 --> E{take_owning?}
    E -- 成功 --> F[取走旧事件消费]
    E -- 失败 --> G[fallback: 正常 staging 入队]
bool try_acquire_merge(Event*& queued) noexcept
{
    MergeCellState expected = MergeCellState::Published;
    if (!state_.compare_exchange_strong(expected, MergeCellState::Merging,
                                        std::memory_order_acq_rel)) {
        return false;   // 不旋转,直接失败
    }
    queued = event_;
    return true;
}

合并是 best-effort 的,错过一次合并只是多入队一个事件。这解释了为什么 merge_wins > 0 的断言是错的——两个 producer 可以都 publish 成功、都来不及 merge,merge_wins == 0 完全合法。

内存序:acq_rel 边界 + relaxed 数据

MergeCell 的经典陷阱是状态原子与数据指针分离。状态在 state_ 原子上,payload 在普通 Event* 上——必须用内存屏障把"状态转移"和"数据可见性"绑定:

// producer 置入:先 CAS 拿到 Published,再写数据
MergeCellState expected = MergeCellState::Empty;
if (!state_.compare_exchange_strong(expected, MergeCellState::Published,
                                    std::memory_order_acq_rel)) {
    return false;
}
event_ = e;   // relaxed:acq_rel 边界已排序这次发布
sequenceDiagram
    participant P as Producer
    participant S as state_ (atomic)
    participant E as event_ (plain ptr)
    P->>S: CAS Empty→Published (acq_rel)
    Note over S: acq_rel MB 建立
    P->>E: 写 event_ = e (relaxed)
    Note over P,E: 数据写在边界之后<br/>acquire 方可见
    P->>S: try_acquire_merge (acq_rel)
    Note over S: consume 方 acquire 读取<br/>能读到已发布的 event_

try_publish 的 CAS 是 acq_rel——release 侧保证 event_ 写在状态翻转之前可见,后续任何通过 Published 状态的 acquire(如 try_acquire_merge 的 CAS)都能正确读到 event_。MergeCell::state() 用 memory_order_acquire 读,保证读状态时能看到对应 epoch 的数据。

引用计数配合

合并槽位持有的是已 post 的引用计数事件(event_ref_inc 过)。dispatcher 在 Consuming 状态下 take_owning 拿到句柄,消费完必须 event_gc() 恰好一次,再 release_empty 归位。合并覆写时旧事件被新事件替代、旧事件回池;取走消费时槽位归空、事件最终回池。无泄漏、无双重释放。


提交记录:d6cc476(MergeCell 成员初始化 + acq_rel 定型)