【Linux】旋转锁 | 读写锁

在之前的线程学习中，用到的锁都是挂起等待锁，如果申请不到锁，那就会在锁中等待；

自旋锁则不大相似

1.自旋锁

1.1 概念

自旋锁是一个轮询检测锁，其检测机制并不是挂起等待，而是不断的询问锁有没有空闲；类似于一个while(1)循环的trylock()

由于其需要不断的轮询检测，所以会占用一定的CPU资源；如果线程较多，就容易给cpu造成负荷。

但是自旋锁无须唤醒挂起等待状态的线程，其消耗较小。

总结一下：

• 自旋锁适合竞争不激烈，且临界区较小（呆的时间短）的情况
• 自旋锁不适合大量线程，临界区长的情况

自旋锁的优缺点反过来，便是挂起等待锁的优缺点了。我们要根据不同场景，正确选择锁的类型

1.2 接口

相关接口和mutex都是很相似的，这里就不演示使用的效果了

1.2.1 pthread_spin_init/destroy

#include <pthread.h>int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);

1.2.2 pthread_spin_lock

自旋锁同样有trylock接口，用于判断锁是否就绪

#include <pthread.h>
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);

1.2.3 pthread_spin_unlock

#include <pthread.h>
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

2.读写锁

有的时候，我们会有一份config配置文件，这个配置文件会有非常多的线程进行读取，但是很少进行修改和写入。

此时我们如果对配置文件的读取进行加锁，就容易导致效率问题，众多线程不断被阻塞，产生性能损失。

此时，就可以用一个专门的读写锁，对读者和写者加不同的锁，在提升读取性能的同时，保证写入不冲突

2.1 读者写者的关系

写着和写着之间不用多说，肯定是互斥关系；

读者和写者之间也是互斥关系，在写入的时候，不能进行读取，否则容易出现二义性问题；

• 写者写入了一个a，线程甲来读取，得到的结果是a
• 写者继续写入了b，线程乙来读取，得到的结果是ab

这是因为写者的写入还没有完成，导致甲乙读者会获取到完全不同的结果，这是不对的；

读者和读者之间没有关系，因为读者并不会修改数据，也不会取走数据，其存在对临界资源没有影响。

---

2.2 接口

2.2.1 init/destroy

读写锁只需要初始一个锁就行了，无须对读者写者初始化两个不同的锁

#include <pthread.h>int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

2.2.2 读者加锁

读写锁的读者锁/写者锁是分开的，我们要针对不同的线程调用不同的锁

#include <pthread.h>int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

但是解锁的接口是一样的

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

2.2.3 写者加锁

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

2.2.4 设置锁的属性

参考 PTHREAD_RWLOCKATTR_SETKIND_NP - Linux手册页

读写锁可以允许我们设置是读者优先还是写者优先。如果采用默认的属性，可能会出现读者一直在读，写者没有办法写入的情况（打印错位是正常情况）

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/23-01-20 rwlock]$ ./test
reader [140484801697536]
reader [140484801697536] 0
reader [140484793304832]
reader [reader [140484784912128140484793304832]
reader [140484784912128] 0
] 0
reader [140484759734016]
reader [140484759734016] 0
reader [140484776519424]

此时就出现了写者饥饿问题，写者无法访问临界资源，饿死了😂

我们可以根据自己的需求进行设置读写锁的属性

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref); 
/* 
pref 共有 3 种选择
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP (默认设置) 读者优先，可能会导致写者饥饿情况
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和 
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递归加锁，避免死锁
*/

下面是一个示例

pthread_rwlock_t rwlock;//锁
pthread_rwlockattr_t attr;//属性
pthread_rwlockattr_init(&attr);//初始化属性
pthread_rwlockattr_setkind_np(&attr, PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP);//设置锁的属性为写者优先
pthread_rwlock_init(&rwlock, &attr);//初始化并设置读写锁的属性

2.3 代码

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;volatile int board = 0;//临界资源pthread_rwlock_t rw;//全局读写锁void *reader(void* args)
{const char *name = static_cast<const char *>(args);cout << "reader ["<<pthread_self() <<"]"<< endl;//sleep(1);while(true){pthread_rwlock_rdlock(&rw);cout << "reader ["<<pthread_self() <<"] " << board << endl;pthread_rwlock_unlock(&rw);usleep(110);}
}void *writer(void *args)
{const char *name = static_cast<const char *>(args);//sleep(1);while(true){pthread_rwlock_wrlock(&rw);board++;cout << "writer [" << pthread_self() <<"]"<< endl;pthread_rwlock_unlock(&rw);usleep(100);}
}int main()
{pthread_rwlock_init(&rw, nullptr);pthread_t r1,r2,r3,r4,r5,r6, w1,w2;pthread_create(&r1, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r2, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r3, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r4, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r5, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&r6, nullptr, reader, (void*)"reader");pthread_create(&w1, nullptr, writer, (void*)"writer");pthread_create(&w2, nullptr, writer, (void*)"writer");pthread_join(r1, nullptr);pthread_join(r2, nullptr);pthread_join(r3, nullptr);pthread_join(r4, nullptr);pthread_join(r5, nullptr);pthread_join(r6, nullptr);pthread_join(w1, nullptr);pthread_join(w2, nullptr);pthread_rwlock_destroy(&rw);return 0;
}

运行结果如下

reader [140067523458816] 7086
reader [140067548636928] 7086
writer [140067515066112]
writer [140067506673408]
reader [140067540244224] 7088
reader [140067565422336] 7088
reader [140067557029632] 7088
reader [140067531851520] 7088
reader [140067523458816] 7088
writer [140067515066112]
writer [140067506673408]
reader [140067548636928] 7090
writer [140067515066112]
reader [140067523458816] 7091
writer [140067506673408]
reader [140067548636928] 7092
reader [140067557029632] 7092

可以看到读者的线程较多，且能够正确读取数据。

如果在读者的whiile中加上sleep(10)

void *reader(void* args)
{const char *name = static_cast<const char *>(args);cout << "reader ["<<pthread_self() <<"]"<< endl;while(true){pthread_rwlock_rdlock(&rw);cout << "reader ["<<pthread_self() <<"] " << board << endl;sleep(10);//睡pthread_rwlock_unlock(&rw);usleep(110);//避免出现只有一个线程工作}
}

能够看到多个读者之间不冲突，不会出现读者A申请锁后，读者B就无法访问临界区的情况。如果是互斥锁，读者A申请之后进入休眠，B就无法申请该锁。