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C++使用Mutex實(shí)現(xiàn)讀寫鎖思路

更新時(shí)間：2025年05月30日 08:54:52 作者：Afeather

這篇文章主要介紹了C++使用Mutex實(shí)現(xiàn)讀寫鎖思路,詳細(xì)介紹了讀寫鎖需要具有的特征,通過實(shí)例代碼給大家講解的非常詳細(xì),對大家的學(xué)習(xí)或工作具有一定的參考借鑒價(jià)值,需要的朋友參考下吧

死鎖檢測。本篇是為了做這個(gè)而實(shí)現(xiàn)的，做這個(gè)事情的原因是c++標(biāo)準(zhǔn)庫的shared_mutex無法從外界告知獲取鎖失敗。
如果需要等待，那么馬上結(jié)束txn。C++中有try_lock這樣的方式，如果上鎖失敗就返回false，這樣就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)了。
如果需要等待，那么殺死當(dāng)前已經(jīng)獲得鎖的一方。
在上鎖前對資源排序。

2和4是最簡單的，沒什么好說的。3比1略容易一些。

基本思路

一個(gè)讀寫鎖應(yīng)該具有以下特征：

多個(gè)讀者可以同時(shí)訪問
寫者獨(dú)占訪問
寫者與讀者互斥
避免寫者饑餓或讀者饑餓
鎖的遞歸使用

由于實(shí)現(xiàn)的鎖不能夠出現(xiàn)讀餓死、寫?zhàn)I死的現(xiàn)象，所以我想到一個(gè)很簡單的方法：先到先得。當(dāng)然也許會(huì)有其他方案。

先到先得的方式下，如何判斷一個(gè)線程是否該阻塞？

第一個(gè)寫請求之前的所有讀請求可以進(jìn)行
如果第一個(gè)請求是寫請求，那么只有這一個(gè)寫請求可以進(jìn)行
如果沒有寫請求，那么所有讀都可以進(jìn)行
如果沒有讀請求，那么第一個(gè)寫請求可以進(jìn)行。這實(shí)際是2的特殊情況
其他請求都不可以進(jìn)行

我們畫圖來說明一下。

假定某一刻有這些請求被阻塞，現(xiàn)在考慮挑出來可以執(zhí)行的線程來執(zhí)行

隊(duì)列中，第一個(gè)寫請求之前的讀都可以進(jìn)行，所以此時(shí)1,2線程是可以執(zhí)行的。它們讀完后釋放鎖，于是在這個(gè)隊(duì)列中刪除了1,2

1,2刪除后，3可以正常執(zhí)行。6在環(huán)檢測的時(shí)候被要求結(jié)束，然后線程3也結(jié)束了，所以此時(shí)所有的讀都可以進(jìn)行。

實(shí)現(xiàn)先到先得，可以通過記錄正在進(jìn)行讀的線程數(shù)量，正在進(jìn)行寫的線程數(shù)量，請求寫但是被阻塞的線程數(shù)量，請求讀但是被阻塞的線程數(shù)量，然后根據(jù)條件來分配資源給某個(gè)線程……維護(hù)的信息數(shù)量可能不止這些，比如說需要維護(hù)哪些線程的讀被阻塞了。

而環(huán)檢測的2PL，我們需要在外界通知線程鎖獲取失敗，所以選擇了使用隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)隊(duì)列需要支持：

添加讀者、寫者（AddReader, AddWriter）
刪除讀者、寫者（RemoveReader, RemoveWriter，為了簡化，統(tǒng)一為一個(gè)Remove了）
當(dāng)可以獲得鎖的時(shí)候，提醒可以獲得鎖的線程。這個(gè)可以用condition_variable實(shí)現(xiàn)
確定某個(gè)線程是否應(yīng)該阻塞

然而做這樣一個(gè)隊(duì)列還是需要費(fèi)一些功夫的。

隊(duì)列實(shí)現(xiàn)

明確了功能需求后，考慮一下需要什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。普通的隊(duì)列肯定是不夠的，畢竟我們會(huì)刪除其中任意一個(gè)元素，容易想到的是map/set。然后考慮到先到先得的順序要求，可以考慮額外記錄一個(gè)邏輯時(shí)間timestamp，每當(dāng)一個(gè)請求到達(dá)，就遞增timestamp。由于加入了timestamp，所以為了支持刪除，至少需要tid:timestamp的映射。而為了支持按timestamp查詢，至少需要timestamp:tid的映射。此外，需要記錄一個(gè)請求是讀還是寫，所以一共需要tid:timestamp的映射和timestamp:<tid,讀寫標(biāo)記>的映射。

timestamp:<tid,讀寫標(biāo)記>映射關(guān)系，很容易想到通過std::map這種天然自帶排序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，即：

從最小到最大遍歷開頭的讀請求，這部分線程可以直接執(zhí)行。
如果是寫請求開頭的，那么這個(gè)寫可以直接執(zhí)行。
解鎖的時(shí)候刪除該線程的記錄。

筆者在此前做了CMU15445，里面的GC的watermark和這個(gè)非常顯相似。CMU15445中作者提到了可以使用unordered_map來將時(shí)間復(fù)雜度從O(logn)優(yōu)化到O(1)，這種做法我想到了，所以這里的隊(duì)列使用的都是unordered_map。

#pragma once
#ifndef READER_WRITER_QUEUE_H
#define READER_WRITER_QUEUE_H
// INSPIRED BY CMU15445 fall2023 watermark
#include <cassert>
#include <unordered_map>
class ReaderWriterQueue {
 public:
  void AddReader(int tid) {
    assert(tid_ts.count(tid) == 0);
    ts_tt[next_timestamp] = {tid, TidType::kRead};
    tid_ts[tid] = next_timestamp;
    next_timestamp++;
  }
  void AddWriter(int tid) {
    assert(tid_ts.count(tid) == 0);
    ts_tt[next_timestamp] = {tid, TidType::kWrite};
    tid_ts[tid] = next_timestamp;
    next_timestamp++;
  }
  void Remove(int tid) {
    auto ts = tid_ts.find(tid);
    if (ts == tid_ts.end()) return;
    assert(ts_tt.count(ts->second) == 1);
    ts_tt.erase(ts->second);
    tid_ts.erase(ts);
  }
  bool ShallBlock(int tid) {
    ResetMinWriteTimestamp();
    ResetMinTimestamp(); // 這兩個(gè)timestamp處理可以合并
    auto iter = tid_ts.find(tid);
    assert(iter != tid_ts.end());
    assert(ts_tt.count(iter->second) == 1);
    auto ts = iter->second;
    auto [_, type] = ts_tt[ts];
    // 如果讀者之前有寫者，那么就需要阻塞等待
    if (type == TidType::kRead) return ts > min_write_ts;
    // 如果寫者之前有讀者，那么就需要阻塞等待
    if (min_ts < min_write_ts) return true;
    // 如果寫者之前有寫者，那么就需要阻塞等待
    return ts_tt[min_write_ts].tid != tid;
  }
 private:
  void ResetMinWriteTimestamp() {
    for (; min_write_ts < next_timestamp; min_write_ts++) {
      auto iter = ts_tt.find(min_write_ts);
      if (iter == ts_tt.end()) {
        continue;
      } else if (iter->second.type == TidType::kWrite) {
        break;
      } else { // iter->second.type == TidType::kRead
        continue;
      }
    }
  }
  void ResetMinTimestamp() {
    for (; min_ts < next_timestamp; min_ts++) {
      auto iter = ts_tt.find(min_ts);
      if (iter != ts_tt.end())
        break;
    }
  }
  long next_timestamp = 0;
  long min_write_ts = 0;
  long min_ts = 0;
  struct TidType {
    int tid;
    enum LockType {kRead, kWrite} type;
    bool operator==(const TidType &rhs) const {
      return tid == rhs.tid && type == rhs.type;
    }
  };
  std::unordered_map<long, TidType> ts_tt;
  std::unordered_map<int, long> tid_ts;
};
#endif // READER_WRITER_QUEUE_H

將隊(duì)列封裝為讀寫鎖

這一步封裝已經(jīng)非常容易了，一個(gè)請求到來，添加到隊(duì)列中。如果需要阻塞，那么就通過condition_variable等待通知。解鎖的時(shí)候，不僅僅需要在隊(duì)列中進(jìn)行移除，還需要notify_all。notify_all還可以優(yōu)化，但是這不是那么容易的事情了，不考慮。

#pragma once
#ifndef SIMPLE_SHARED_MUTEX_H
#define SIMPLE_SHARED_MUTEX_H
#include <condition_variable>
#include <ctime>
#include <cstdio>
#include <mutex>
#include <unistd.h>
#include "reader_writer_queue.h"
class SimpleSharedMutex {
 public:
  void lock() {
    std::unique_lock lock{mtx};
    auto tid = ::gettid();
    queue.AddWriter(tid);
    while (queue.ShallBlock(tid)) cv.wait(lock);
    // printf("lock %d\n", tid);
  }
  void shared_lock() {
    std::unique_lock lock{mtx};
    auto tid = ::gettid();
    queue.AddReader(tid);
    while (queue.ShallBlock(tid)) cv.wait(lock);
    // printf("slock %d\n", tid);
  }
  void unlock() {
    std::unique_lock lock{mtx};
    queue.Remove(::gettid());
    cv.notify_all();
    // printf("ulock %d\n", ::gettid());
  }
  void shared_unlock() {
    std::unique_lock lock{mtx};
    queue.Remove(::gettid());
    cv.notify_all();
    // printf("uslock %d\n", ::gettid());
  }
 private:
  std::mutex mtx;
  ReaderWriterQueue queue;
  std::condition_variable cv;
};
#endif // SIMPLE_SHARED_MUTEX_H

到此這篇關(guān)于C++用Mutex實(shí)現(xiàn)讀寫鎖的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ Mutex讀寫鎖內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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