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多線程編程中，需要對共享變量進行加鎖。但是頻繁地加鎖，會對程序效率有很大影響。在某些讀多寫少的場景下，多個線程進行讀數據時，如果都加互斥鎖，這顯然是不必須的。於是讀寫鎖便應運而生。
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讀寫鎖的加鎖規則：
- 如果沒有加寫鎖時，那麼多個線程可以同時加讀鎖；如果有加寫鎖時，不可以加讀鎖
- 不管是加了讀鎖還是寫鎖，都不能繼續加寫鎖。
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滿足這兩個條件，便可以初步實現一個讀寫鎖。我們用兩個鎖，一個變量，實現一個簡單的讀寫鎖，代碼如下
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; // 讀鎖個數
};
首先，在加讀鎖時，判斷讀者數量，如果為1，說明自己是第一個讀者，這時要加寫鎖。如果沒有寫者，加鎖成功。如果有寫者，那麼需要等待寫鎖釋放。
其次，加寫鎖時，就是直接鎖write_mtx,如果沒有其他任何讀者或者寫者，加鎖成功；否則就等待write_mtx被釋放。
這種實現方法簡單明瞭，但是存在一個問題。當讀寫鎖被讀者佔有時，這時來了寫者需要等待讀鎖釋放，如果又來了讀鎖卻可以加鎖成功。這樣就可能導致，寫鎖很難獲取，讀鎖一直無法釋放。實際應用中，我們並不期望如此，因為這有可能導致數據不能及時更新，讀取的數據是過期的。很明顯，寫鎖的優先級應該高於讀鎖。那麼如何實現這樣的讀寫鎖呢？
那麼在讀寫鎖的數據結構中，應該需要兩個變量，來表示在等待的讀者和寫者的數量。首先給出讀寫鎖的定義:
class rwlock
{
public:
rwlock();
~rwlock();
void readlock();
void writelock();
void unlock();
int tryreadlock();
int trywritelock();
private:
pthread_mutex_t rwmutex;
int refcount; // -1表示有寫者，0表示沒有加鎖，正數表示有多少個讀者
int readwaiters;
int writewaiters;
pthread_cond_t readcond;
pthread_cond_t writecond;
};
實現如下:
- 構造函數，負責初始化變量
rwlock::rwlock()
{
refcount = 0;
readwaiters = 0;
writewaiters = 0;
pthread_mutex_init(&rwmutex,NULL);
pthread_cond_init(&readcond, NULL);
pthread_cond_init(&writecond, NULL);
}
- 析構函數，銷燬資源
rwlock::~rwlock()
{
refcount = 0;
readwaiters = 0;
writewaiters = 0;
pthread_mutex_destroy(&rwmutex);
pthread_cond_destroy(&readcond);
pthread_cond_destroy(&writecond);
}
- 加讀鎖
void rwlock::readlock()
{
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
while(refcount < 0)
{
readwaiters++;
pthread_cond_wait(&readcond,&rwmutex);
readwaiters--;
}
refcount++;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}
首先，對rwmutex加鎖，主要是為了讀區refcount變量。然後在while循環中，等待讀信號量。這裡要注意的是，while不能用if來判斷。我們可能會認為，在readcond有信號時，說明寫者已經釋放了寫鎖，這時refcount必然會等於0，沒必要用while循環。但是，請注意，pthread_cond_wait這個函數的執行過程。首先，它會釋放鎖rwmutex,然後等待readcond有信號，最後獲得信號量時，再對rwmutex加鎖。這樣就會存在一種情況，在readcond獲得信號之後，還沒來得及對rwmutex進行加鎖，另外一個線程這時來獲取寫鎖，很顯然它可以獲取到，refcount變成了-1。如果不對refcount進行判斷就會出錯。
- 加寫鎖
void rwlock::writelock()
{
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
while(refcount != 0)
{
writewaiters++;
pthread_cond_wait(&writecond,&rwmutex);
writewaiters--;
}
refcount = -1;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}
注意點和讀鎖一樣，都是要while循環，不再重複.
- 釋放鎖
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);
}
解鎖時，如果recount==0,說明已經沒有任何人再使用讀寫鎖，那麼首先判斷是否有寫鎖等待，如果是，置writecond有信號。如果沒有寫者，只有讀者，那麼對readcond信號量進行廣播。到這裡，讀寫鎖的功能就介紹完了。但是注意上面的加鎖接口都是阻塞的，我們接著介紹非阻塞的加鎖接口.
- 非阻塞讀鎖
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;
}
- 非阻塞寫鎖
int rwlock::trywritelock()
{
int ret = 0;
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
if(refcount != 0 )
{
ret = -1;
}
else
refcount = -1;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
return ret;
}
非阻塞接口相對比阻塞接口簡單，這裡就不再重複講述了。
總結
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本文詳細介紹了讀寫鎖的功能，以及實現方法。實現都是基於posix接口，適用於所有類unix系統。
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