一种多线程变量区域锁的实现方法

Posted 2020-09-19 SpartacusIn21

多线程变量区域锁类定义

类定义中基于boost库unique_lock和shared_lock定义了读锁ReadLock和写锁WriteLock，将读锁和写锁换成关键区(CRITICAL_SECTION)等也是一样的效果。

变量区域锁主要是基于以下两点：一、变量的作用范围就是锁定的区域范围；二、C++的特性能够保证析构函数能够得到正确执行，这样就能保证锁的释放。

正是基于这两点，这里设计的变量区域互斥锁类，主要的思想是在类对象作用范围内，通过对单个bool型变量的值来判断区域锁是否可用，并对该变量的修改进行加锁保护，该区域互斥锁主要包括三个成员函数：

类构造函数CVariableLock：用于初始化共享互斥体m_lock，以及将变量区域互斥锁外边bool变量指针赋值给m_lock_flag

类析构函数~CVariableLock：在成功获取到锁的情况下，在析构函数中需要将外部标志bool变量恢复为false，表示释放掉区域锁

获取锁状态函数GetLockStatus：在该函数中，主要是获取外部标志bool变量的值，如果为true，表明锁被其他线程占用，循环等待50次，每次延迟10ms，当500ms后外部标志变量还是为true，就获取锁失败；否则获取锁成功，并将外部bool标志变量修改为true，表明区域锁被占用

上面三个函数中，对外部标志bool变量的操作都是在加锁的状态下操作的。

变量区域锁的类CVariableLock代码如下：

//写锁定义
typedef boost::shared_mutex Lock;
typedef boost::unique_lock<Lock> WriteLock;
typedef boost::shared_lock<Lock> ReadLock;
// 区域互斥锁类定义
class CVariableLock
{
public:
    CVariableLock(Lock *lock, bool *lock_flag, int thread_id=0);
    ~CVariableLock(void);
public:
    bool GetLockStatus();//获取资源状态，1——可访问，0——不可访问
private:
    Lock *m_lock;
    bool *m_lock_flag;
    bool m_get_lock_flag;
    int m_thread_id;
};

// 区域互斥锁构造函数
CVariableLock::CVariableLock(Lock *lock, bool *lock_flag)
{
    m_get_lock_flag = false;
    if(lock){
        m_lock = lock;
    }
    else{
        m_lock = NULL;
    }
    if(lock_flag){
        m_lock_flag = lock_flag;
    }
    else{
        m_lock_flag = NULL;
    }
    m_thread_id = thread_id;
}
// 区域互斥锁析构函数
CVariableLock::~CVariableLock(void)
{
    if(!m_lock || !m_lock_flag){
        return;
    }
    if(m_get_lock_flag){//只有在获取锁成功情况下才重置变量
       WriteLock w_lock(*m_lock);
       *m_lock_flag = false;

　　　　 wchar_t str[20];
　　　　 wsprintf(str,L"线程%d释放区域锁!\\n", m_thread_id);
　　　　 OutputDebugString(str);

    }
}
// 区域互斥锁锁状态成员函数
bool CVariableLock::GetLockStatus(){//获取资源状态，返回结果：1——可访问，0——不可访问
    if(!m_lock  || !m_lock_flag){
         return true;
    }
    bool lock_status = true;
    {
        {
            ReadLock w_lock(*m_lock);
            lock_status = *m_lock_flag;
        }
        int count = 50;
        while(lock_status){
            if(count <= 0){
                break;
            }
            {
                ReadLock w_lock(*m_lock);
                lock_status = *m_lock_flag;
            }
            count--;
            Sleep(10);//延时10ms
        }
    }
    
    bool result = ~(lock_status);
    if(result){//获取锁成功
        {
            WriteLock w_lock(*m_lock);
            lock_status = *m_lock_flag;//再次读取变量值
            if(lock_status){//已被其他线程锁定
                m_get_lock_flag = false;
                result = false;
            }
            else{
                m_get_lock_flag = true;
                *m_lock_flag = true;
            }
        }
    }
    else{//获取锁失败
        m_get_lock_flag = false;
    }
    return result;
}

变量区域锁工作流程图

多线程访问示例

如下，首先定义了外部标志变量lock_flag并初始化为false,表明锁未被占用，同时定义共享互斥体rw_lock。

在Fun1和Fun2中分别定义了局部变量互斥区域锁类对象，这样的话，Fun1函数的作用域和Fun2函数的作用域就是互斥的区域，在多线程访问中，Fun1和Fun2不能同时被两个线程同时访问，这样的话，在Fun1和Fun2中公用的成员变量或者全局变量就能够得到有效的保护，避免多线程同时操作导致的数据不确定或者崩溃。

现在开启10个线程，前5个线程访问Fun1函数，后5个线程访问Fun2函数，可以通过输出看到线程获取区域锁的具体情况：

 

bool lock_flag = false;
Lock rw_lock;

DWORD WINAPI Fun1(LPVOID lpParameter)
{
    int thread_id = *(int*)lpParameter;
    CVariableLock lock(&rw_lock,&lock_flag, thread_id);
    if(!lock.GetLockStatus()){//获取锁失败
        return -1;
    }
    //获取锁成功，锁定区域1
    wchar_t str[20];
    wsprintf(str,L"线程%d取得区域锁!\\n", thread_id);
    OutputDebugString(str);
}
DWORD WINAPI Fun2(LPVOID lpParameter)
{
    int thread_id = *(int*)lpParameter;
    CVariableLock lock(&rw_lock,&lock_flag, thread_id);
    if(!lock.GetLockStatus()){//获取锁失败
        return -1;
    }
    //获取锁成功，锁定区域2
    wchar_t str[20];
    wsprintf(str,L"线程%d取得区域锁!\\n", thread_id);
    OutputDebugString(str);
}
int main(){
    HANDLE threadHandle[10];
    int thread_index[10]={0};
    for(int i = 0; i < 5; i++){
        thread_index[i]=i;
        threadHandle[i] = CreateThread(NULL,0, Fun1, thread_index+i, 0,NULL);
    }
    for(int j = 5; j < 10; j++){
        thread_index[j]=j;
        threadHandle[j] = CreateThread(NULL,0, Fun2, thread_index+j, 0,NULL);
    }
    // 等待线程结束
    WaitForMultipleObjects ( 10, threadHandle, TRUE, INFINITE ) ;
    OutputDebugString(L"所有线程都已经结束!\\n");

    for ( int i = 0; i < 10; i++ )
        CloseHandle ( threadHandle[i] ) ;
    return 0;
}

 

输出结果为：

可以看到，没有任意两个线程是同时访问Fun1和Fun2函数的，说明Fun1和Fun2的区域锁确实生效了，同时只有一个线程访问两个函数共同保护的区域。