一步一步实现读写锁

Posted 2020-08-22 myd620

多线程编程中，需要对共享变量进行加锁。但是频繁地加锁，会对程序效率有很大影响。在某些读多写少的场景下，多个线程进行读数据时，如果都加互斥锁，这显然是不必须的。于是读写锁便应运而生。

读写锁的加锁规则：

1 如果没有加写锁时，那么多个线程可以同时加读锁；如果有加写锁时，不可以加读锁

2 不管是加了读锁还是写锁，都不能继续加写锁。

满足这两个条件，便可以初步实现一个读写锁。我们用两个锁，一个变量，实现一个简单的读写锁，代码如下

class rwlock
{
public:
	rwlock(): read_cnt(0)
	{
                pthread_mutex_init(&read_mtx,NULL);
                pthread_mutex_init(&write_mtx,NULL);
	}

	~ rwlock()
	{
                pthread_mutex_destroy(&read_mtx);
                pthread_mutex_destroy(&write_mtx);
	}

	void readLock()
	{
		pthread_mutex_lock(&read_mtx);
		if (++read_cnt == 1)
			pthread_mutex_lock(&write_mtx);
		pthread_mutex_unlock(&read_mtx);
	}

	void readUnlock()
	{
		pthread_mutex_lock(&read_mtx);
		if (--read_cnt == 0)
			pthread_mutex_unlock(&write_mtx);
		pthread_mutex_unlock(&read_mtx);
	}

	void writeLock()
	{
		pthread_mutex_lock(&write_mtx);
	}

	void writeUnlock()
	{
		pthread_mutex_unlock(&write_mtx);
	}

private:
	pthread_mutex_t read_mtx;
	pthread_mutex_t write_mtx;
	int read_cnt; // 读锁个数
};

 首先，在加读锁时，判断读者数量，如果为1，说明自己是第一个读者，这时要加写锁。如果没有写者，加锁成功。如果有写者，那么需要等待写锁释放。

其次，加写锁时，就是直接锁write_mtx,如果没有其他任何读者或者写者，加锁成功；否则就等待write_mtx被释放。

这种实现方法简单明了，但是存在一个问题。当读写锁被读者占有时，这时来了写者需要等待读锁释放，如果又来了读锁却可以加锁成功。这样就可能导致，写锁很难获取，读锁一直无法释放。实际应用中，我们并不期望如此，因为这有可能导致数据不能及时更新，读取的数据是过期的。很明显，写锁的优先级应该高于读锁。那么如何实现这样的读写锁呢？

那么在读写锁的数据结构中，应该需要两个变量，来表示在等待的读者和写者的数量。首先给出读写锁的定义

class rwlock
{
public:
    rwlock();
    ~rwlock();
    void readlock();
    void writelock();
    void unlock();
    int tryreadlock();
    int trywritelock();
    
private:
    pthread_mutex_t rwmutex;
    int refcount;   // -1表示有写者，0表示没有加锁，正数表示有多少个读者
    int readwaiters;
    int writewaiters;
    pthread_cond_t readcond;
    pthread_cond_t writecond;
};

 实现如下:

1.构造函数，负责初始化变量

rwlock::rwlock()
{
    refcount     = 0;
    readwaiters  = 0;
    writewaiters = 0;
    pthread_mutex_init(&rwmutex,NULL);
    pthread_cond_init(&readcond, NULL);
    pthread_cond_init(&writecond, NULL);
}

 2 析构函数，销毁资源

rwlock::~rwlock()
{
    refcount     = 0;
    readwaiters  = 0;
    writewaiters = 0;
    pthread_mutex_destroy(&rwmutex);
    pthread_cond_destroy(&readcond);
    pthread_cond_destroy(&writecond);
}

 3 加读锁

void rwlock::readlock()
{
    pthread_mutex_lock(&rwmutex);
    while(refcount < 0)
    {
        readwaiters++;
        pthread_cond_wait(&readcond,&rwmutex);
        readwaiters--;
    }
    refcount++;
    pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}

 首先，对rwmutex加锁，主要是为了读区refcount变量。然后在while循环中，等待读信号量。这里要注意的是，while不能用if来判断。我们可能会认为，在readcond有信号时，说明写者已经释放了写锁，这时refcount必然会等于0，没必要用while循环。但是，请注意，pthread_cond_wait这个函数的执行过程。首先，它会释放锁rwmutex,然后等待readcond有信号，最后获得信号量时，再对rwmutex加锁。这样就会存在一种情况，在readcond获得信号之后，还没来得及对rwmutex进行加锁，另外一个线程这时来获取写锁，很显然它可以获取到，refcount变成了-1。如果不对refcount进行判断就会出错。

4 加写锁

void rwlock::writelock()
{
    pthread_mutex_lock(&rwmutex);
    while(refcount != 0)
    {
        writewaiters++;
        pthread_cond_wait(&writecond,&rwmutex);
        writewaiters--;
    }
    refcount = -1;
    pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}

 注意点和读锁一样，都是要while循环，不再重复

5释放锁

void rwlock::unlock()
{
    pthread_mutex_lock(&rwmutex);
    if(refcount == -1)
        refcount = 0;
    else
        refcount--;
    if(refcount == 0)
    {
        if(writewaiters > 0)
            pthread_cond_signal(&writecond);
        else if(readwaiters > 0)
            pthread_cond_broadcast(&readcond);
    }

    pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}

 解锁时，如果recount==0,说明已经没有任何人再使用读写锁，那么首先判断是否有写锁等待，如果是，置writecond有信号。如果没有写者，只有读者，那么对readcond信号量进行广播。

到这里，读写锁的功能就介绍完了。但是注意上面的加锁接口都是阻塞的，我们接着介绍非阻塞的加锁接口

6 非阻塞读锁

int rwlock::tryreadlock()
{
    int ret = 0;
    pthread_mutex_lock(&rwmutex);
    if(refcount < 0 || writewaiters > 0)
    {
        ret = -1;
    }
    else
        refcount++;
    pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
    return ret;
}

 

7 非阻塞写锁

int rwlock::trywritelock()
{
    int ret = 0;
    pthread_mutex_lock(&rwmutex);
    if(refcount != 0 )
    {
        ret = -1;
    }
    else
        refcount = -1;
    pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
    return ret;
}

 非阻塞接口相对比阻塞接口简单，这里就不再重复讲述了。

总结：本文详细介绍了读写锁的功能，以及实现方法。实现都是基于posix接口，适用于所有类unix系统。至于windows系统，可参考这篇博文

 http://blog.csdn.net/querw/article/details/7214925