多线程编程之顺序锁

Posted 2020-10-17 拙园

一、什么是顺序锁

　　顺序锁对读写锁的一种优化，使用顺序锁时，读不会被写执行单元阻塞（在读写锁中，写操作必须要等所有读操作完成才能进行）。也就是说，当向一个临界资源中写入的同时，也可以从此临界资源中读取，即实现同时读写，但是不允许同时写数据。如果读执行单元在读操作期间，写执行单元已经发生了写操作，那么，读执行单元必须重新开始，这样保证了数据的完整性，当然这种可能是微乎其微。顺序锁的性能是非常好的，同时他允许读写同时进行，大大的提高了并发性。

二、顺序锁的缺陷

　　顺序锁的缺陷在于，互斥访问的资源不能是指针，因为写操作有可能导致指针失效，而读操作对失效的指针进行操作将会发生意外错误。

　　顺序锁在某些场合比读写锁更加高效，但读写锁可以适用于所有场合，而顺序锁不行，所以顺序锁不能完全替代读写锁。

三、顺序锁的实现

　　在Linux内核中，有顺序锁的实现方案：

typedef struct {
    unsigned sequence;    /* 顺序计数器 */
    spinlock_t lock;
} seqlock_t;

static inline void write_seqlock(seqlock_t *sl)
{
    spin_lock(&sl->lock);
    ++sl->sequence;
    smp_wmb();
}

static inline void write_sequnlock(seqlock_t *sl)
{
    smp_wmb();
    sl->sequence++;
    spin_unlock(&sl->lock);
}

static __always_inline unsigned read_seqbegin(const seqlock_t *sl)
{
    unsigned ret;

repeat:
    ret = ACCESS_ONCE(sl->sequence);
    if (unlikely(ret & 1)) {
        cpu_relax();
        goto repeat;
    }
    smp_rmb();
    return ret;
}

 /*
  * Test if reader processed invalid data.
  *
  * If sequence value changed then writer changed data while in section.
  */
static __always_inline int read_seqretry(const seqlock_t *sl, unsigned start )
{
    smp_rmb();
    return unlikely(sl->sequence != start);
}

 四、顺序锁的用法

　　顺序锁的写操作单元执行如下代码：

write_seqlock(&seqlock);
    write_something();    // 写操作代码块
write_sequnlock(&seqlock);

 　　顺序锁的读操作单元执行如下代码：

do{
    seqnum = read_seqbegin(&seqlock);　　// 读执行单元在访问共享资源时要调用该函数，返回锁seqlock的顺序号 
    read_something(); // 读操作代码段 
} while( read_seqretry(&seqlock, seqnum)); // 在读结束后调用此函数来检查，是否有写执行单元对资源进行操作，若有则重新读。

 五、Windows平台下的一种实现方式

　　参考《多线程的那点儿事（之顺序锁）》文章内容，整理了Windows平台下的一种顺序锁实现方式。代码如下：

typedef struct _SEQUENCE_LOCK
{
    unsigned int sequence;
    HANDLE hLock;
}SEQUENCE_LOCK;

unsigned int get_lock_begin(SEQUENCE_LOCK* hSeqLock)
{
    assert(NULL != hSeqLock);

    return hSeqLock->sequence;    
}   
 
int get_lock_retry(SEQUENCE_LOCK* hSeqLock, unsigned int value)
{
    unsigned int new_value;
    assert(NULL != hSeqLock);

    new_value = hSeqLock->sequence;
    return (new_value & 0x1) || (new_value ^ value);    
}

void get_write_lock(SEQUENCE_LOCK* hSeqLock)
{
    assert(NULL != hSeqLock);

    WaitForSingleObject(hSeqLock->hLock);
    hSeqLock->sequence ++;
} 

void release_write_lock(SEQUENCE_LOCK* hSeqLock)
{
    assert(NULL != hSeqLock);

    hSeqLock->sequence ++;
    ReleaseMutex(hSeqLock->hLock);
}

　　使用时候的方法类似，参考如下代码：

void read_process(SEQUENCE_LOCK* hSeqLock)
{
    unsigned int sequence;

    do{
       sequence = get_lock_begin(hSeqLock);
       /* read operation  */
    }while(get_lock_retry(hSeqLock, sequence));
}

void write_process(SEQUENCCE_LOCK* hSeqLock)
{
    get_write_lock(hSeqLock);
    /* write operation */
    release_write_lock(hSeqLock);
}

　　可以看出，这里的顺序锁原理和用法也是一样的。

 

小结：

1. 读锁退出有两种情况：写操作正在进行；或者没有写锁
2. 写锁之间需要互斥操作
3. 互斥操作的资源不能是指针，否则有可能在访问的时候会造成异常，因为有可能边写边读
4. 顺序锁代替不了读写锁，因为读写锁可以保证所有的数据操作，而顺序锁不行