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[操作系统]动手实现读写锁


排他锁的弊端
     在多个线程之间共享数据,普遍做法是加锁读写,也就是同一个时刻只有一个线程能够读或者写,以保证数据一致性,即线程安全。例如下面的伪代码是常见的做法
 1 void Read() 2 { 3   Lock(mutex); 4  5   // 读取数据 6  7   UnLock(mutex); 8 } 9 10 void Write()11 {12   Lock(mutex);13 14   // 写入数据15 16   UnLock(mutex);17 }

 

读写锁的设计


     这样的锁是具有排他性的,会在一定程度上影响程序的效率。假设有多个线程竞争获得读写权利,显然同一个时刻只有一个线程能够获得,要么进行读操作,要么进行写操作,而且,在读操作和读操作之间,或在写操作和写操作之间,同样具有排他性,存在下面的关系
1、读-写,排他
2、写-写,排他
3、读-读,排他
     既然排他锁影响程序效率,那么该如何优化呢?排他锁的目的,为了避免出现这样的竞争条件,在一个线程在未完成读操作之前,另一个线程写操作改变了数据,或者多个线程同时进行写操作。显然,在读操作和写操作之间,或在写操作和写操作之间,要求具有排他性,而排他锁带入到负面影响是,在读操作和读操作之间也具有了排他性。到这里,可以设想一下读写锁能够解决什么问题,没错,就是为了屏蔽这个负面影响,能够满足下面的关系
1、读-写,排他
2、写-写,排他
3、读-读,共享
     简单地说,就是多个线程能够同时进行读操作。思路如下(伪代码)
 1 void Read() 2 { 3   Wait(condition); 4  5   Lock(mutex); 6   if(0 == Count++) 7     Lock(semaphore); 8   UnLock(mutex); 9 10   // 读取数据11 12   Lock(mutex);13   if(0 == --Count)14     UnLock(semaphore);15   UnLock(mutex);16 }17 18 void Write()19 {20   Destroy(condition);21   Lock(semaphore);22 23   // 写入数据24 25   UnLock(semaphore);26   Create(condition);27 }

  在代码中,信号量semaphore的初值为1,为了读-写能够排他和写-写排他这两个关系。Count记录有多少个读操作,而mutex是为了保证Count线程安全。忽略condition相关的代码,可以说,已经实现了前面提到的读写锁。但为什么加入condition呢?原因是这样的,如果有多个线程在连续进行读操作,可能导致长时间不能进行写操作,也就是通常说的写锁饥饿。condition可以解决这个问题,如果有线程正在等待写操作,那么新的读操作先等待,等到写操作完成后再开始。这样可以保证获得读写操作的机会是相对公平的。

在Windows中实现读写锁

  在Windows平台,Vista和Server 2008及其更高的版本才开始提供读写锁相关的API,如果需要支持XP系统,那么往往需要自己实现读写锁机制。前面已经介绍过如何实现读写锁,这里不费口舌,直接贴出代码


 1 // 实现代码 2  3 class RWLock 4 { 5 public: 6   RWLock(); 7   ~RWLock(); 8 public: 9   void AcquireReadLock();10   void ReleaseReadLock();11   void AcquireWriteLock();12   void ReleaseWriteLock();13 private:14   volatile DWORD   m_cnt;15   CRITICAL_SECTION  m_cs;16   HANDLE       m_evt;17   HANDLE       m_sem;18 };19 20 RWLock::RWLock()21   : m_cnt(0)22   , m_evt(NULL)23   , m_cs(NULL)24   , m_sem(NULL)25 {26   // 提倡的做法在专门的初始化函数里创建和初始化这些变量27 28   ::InitializeCriticalSection(&m_cs);29 30   // Event必须是手动重置,否则存在死锁隐患,即等待Event前,先被激活了31   m_evt = ::CreateEvent(NULL, TRUE, TRUE, NULL);32   m_sem = ::CreateSemaphore(NULL, 1, 1, NULL);33 }34 35 RWLock::~RWLock()36 {37   ::CloseHandle(m_sem);38   ::CloseHandle(m_evt);39   ::DeleteCriticalSection(&m_cs);40 }41 42 void RWLock::AcquireReadLock()43 {44   ::WaitForSingleObject(m_evt, INFINITE);45 46   ::EnterCriticalSection(&m_cs);47   if(0 == m_cnt++)48     ::WaitForSingleObject(m_sem, INFINITE);49   ::LeaveCriticalSection(&m_cs);50 }51 52 void RWLock::ReleaseReadLock()53 {54   ::EnterCriticalSection(&m_cs);55   if(0 == --m_cnt)56     ::ReleaseSemaphore(m_sem, 1, NULL);57   ::LeaveCriticalSection(&m_cs);58 }59 60 void RWLock::AcquireWriteLock()61 {62   ::ResetEvent(m_evt);63   ::WaitForSingleObject(m_sem, INFINITE);64 }65 66 void RWLock::ReleaseWriteLock()67 {68   ::ReleaseSemaphore(m_sem, 1, NULL);69   ::SetEvent(m_evt);70 }71 72 // 使用示例73 74 void Read()75 {76   // 多个线程能够同时进行读操作77 78   rwLock.AcquireReadLock();79 80   // 读取数据81   82   rwLock.ReleaseReadLock();83 }84 85 void Write()86 {87   rwLock.AcquireWriteLock();88 89   // 写入数据90 91   rwLock.ReleaseWriteLock();92 }

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