尝试在C++里实现 Java 的 synchronized 关键字

Posted 2020-06-14

话说Java里有个很强大的关键字叫synchronized，可以方便的实现线程同步。今天异想天开，尝试在C++里模拟一个类似的。

　　最近在学习C++的STL，看见智能指针这章节时，无不感叹利用语言的丰富特征，来各种实现各种巧妙的构思。最经典的莫过于使用栈对象构造/析构函数，来维护局部资源的初始化和释放。照着这个巧妙的方法，依样画葫芦自己也来写一个，来实现局部代码线程同步。

　　Java里的synchronized有两种形式，一种是基于函数的，另种则是语块的。前者受C++的语法所限，估计是没法实现了，所以就尝试后者。
　　块级语法很简单：

synchronized(syncObject) {
    // code
}

　　
　　因为Java所有变量都继承于Object，所以任意变量都能当作锁用。这在C++里无法简易实现，因此我们用特定的类型实例当作同步变量使用。
　　先从最经典简易的同步类说起。

struct Lock : CRITICAL_SECTION {
    Lock() {
        ::InitializeCriticalSection(this);
    }

    ~Lock() {
        ::DeleteCriticalSection(this);
    }

    void Enter() {
        ::EnterCriticalSection(this);
    }

    void Leave() {
        ::LeaveCriticalSection(this);
    }
};

 

　　这是windows下实现线程同步最常见的封装。只需声明一个Lock实例，在需要同步的代码前后分别调用Enter和Leave即可。
　　既然用起来这么简单，为什么还要继续改进？显然这种方法有个很大的缺陷，如果忘了调用Leave，或者在调用之前就return/throw退出，那么就会引起死锁。
　　所以，我们需要类似auto_ptr的机制，自动维护栈数据的创建和删除。就暂且称它_auto_lock吧。

struct _auto_lock {
    Lock& _lock;

    _auto_lock(Lock& lock) : _lock(lock) {
        _lock.Enter();
    }

    ~_auto_lock() {
        _lock.Leave();
    }
};

　　_auto_lock通过引用一个Lock实例来初始化，并立即锁住临界区；被销毁时则释放锁。

　　有了这个机制，我们再也不用担心忘了调用.Leave()。只需提供一个Lock对象，就能在当前语块自动加锁解锁。再也不用担心死锁的问题了。

Lock mylock;
 
void Test()
{
    // code1 ...
 
    // syn code
    {
        _auto_lock x(mylock);
    }
 
    // code2 ...
}

　　进入syn code的"{"之后，_auto_lock被构造；无论用那种方式离开"}"，析构函数都会被调用。
　　上述代码类似的在stl和boost里都是及其常见的。利用栈对象的构造/析构函数维护局部资源，算是C++很常用的一技巧。
　　我们的目标又近了一步。下面开始利用经典的宏定义，制造一颗synchronized语法糖，最终实现这样的语法：

Lock mylock;
 
void Test()
{
    // code1 ...
 
    synchronized(mylock)
    {
        // sync code
    }
 
    // code2 ...
}

　　显然需要一个叫synchronized宏，并且在里面定义_auto_lock。

#define synchronized(lock)        ..... _auto_lock x(lock) ......

　　乍一看这语法很像循环，并且要在循环内定义变量，所以用for(;;)的结构是再好不过了。

for(_auto_lock x(mylock); ; )

　　不过sync code我们只需执行一次，所以还需另一个变量来控制次数。由于for里面只能声明一种类型的变量，所以我们在外面再套一层循环：

for(int _i=0; _i<1; _i++)for(_auto_lock x(mylock); _i<1; _i++)

　　synchronized宏将mylock替换成上述代码，既没有违反语法，也实现相同的流程。得益于循环语法，甚至可以在synchronized内使用break来跳出同步块！

　　
　　我们将上述代码整理下，并做个简单的测试。

#include <stdio.h>
#include <windows.h>
#include <process.h>



struct Lock : CRITICAL_SECTION {
    Lock() {
        ::InitializeCriticalSection(this);
    }

    ~Lock() {
        ::DeleteCriticalSection(this);
    }

    void Enter() {
        ::EnterCriticalSection(this);
    }

    void Leave() {
        ::LeaveCriticalSection(this);
    }
};

struct _auto_lock {
    Lock& _lock;

    _auto_lock(Lock& lock) : _lock(lock) {
        _lock.Enter();
    }

    ~_auto_lock() {
        _lock.Leave();
    }
};

#define synchronized(lock)        for(int _i=0; _i<1; _i++)for(_auto_lock lock##_x(lock); _i<1; _i++)






// ---------- demo ----------
Lock mylock;


// ---------- test1 ----------
void WaitTest(int id)
{
    printf("No.%d waiting...\n", id);

    synchronized(mylock)
    {
        Sleep(1000);
    }

    printf("No.%d done\n", id);
}

void Test1()
{
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))WaitTest, 0, (void*) 1);
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))WaitTest, 0, (void*) 2);
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))WaitTest, 0, (void*) 3);
}





// ---------- test2 ----------
void ThrowFunc(int id)
{
    printf("No.%d waiting...\n", id);

    synchronized(mylock)
    {
        Sleep(1000);
        throw "some err";
    }

    printf("No.%d done\n", id);
}

void ThrowTest(int id)
{
    try
    {
        ThrowFunc(id);
    }
    catch(...)
    {
        printf("%d excepted\n", id);
    }
}

void Test2()
{
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))ThrowTest, 0, (void*) 1);
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))ThrowTest, 0, (void*) 2);
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))ThrowTest, 0, (void*) 3);
}



// ---------- test3 ----------
void BreakTest(int id)
{
    printf("No.%d waiting...\n", id);

    synchronized(mylock)
    {
        Sleep(1000);
        break;
        Sleep(99999999);
    }

    printf("No.%d done\n", id);
}

void Test3()
{
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))BreakTest, 0, (void*) 1);
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))BreakTest, 0, (void*) 2);
    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))BreakTest, 0, (void*) 3);
}




int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("Wait Test. Press any key to start...\n");
    getchar();
    Test1();

    getchar();
    printf("Exception Test. Press any key to start...\n");
    getchar();
    Test2();

    getchar();
    printf("Break Test. Press any key to start...\n");
    getchar();
    Test3();

    getchar();
    return 0;
}

　　

　　使用语法糖除了好看外，有个最重要的功能就是可以在synchronized同步块里使用break来跳出，并且不会引起死锁，这是其他方法无法实现的。