Linux系统编程——线程同步与互斥:读写锁

读写锁基本原理

  当有一个线程已经持有互斥锁时,互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形,当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源,而同时有其它几个线程也想读取这个共享资源,但是由于互斥锁的排它性,所有其它线程都无法获取锁,也就无法读访问共享资源了,但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。

  在对数据的读写操作中,更多的是读操作,写操作较少,例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出,但只允许一个写入的需求,线程提供了读写锁来实现。与互斥锁类似,但读写锁允许更高的并行性,其特性为:写独占,读共享

读写锁的状态

强调,读写锁只有一把,只是该锁具有两种状态

  1. 读模式下加锁状态(读锁)
  2. 写模式下加锁状态(写锁)

读写锁的特点

  1. 如果有其它线程读数据,则允许其它线程执行读操作,但不允许写操作
  2. 如果有其它线程写数据,则其它线程都不允许读、写操作
  3. 如果线程以读模式加锁,既有尝试以写模式加锁的线程,又有尝试以读模式加锁的线程,那么读写锁会阻塞读模时锁的请求,优先满足写模式锁,读锁、写锁并行时,写锁优先级高

读写锁的规则

  1. 如果某线程申请了读锁,其它线程可以再申请读锁,但不能申请写锁
  2. 如果某线程申请了写锁,其它线程不能申请读锁,也不能申请写锁

相关操作

POSIX 定义的读写锁的数据类型是: pthread_rwlock_t

image.png

头文件: #include <pthread.h>
返回值:

  • 成功:返回 0
  • 失败:返回 errno

初始化读写锁

函数原型: int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);

作用: 用来初始化 rwlock 所指向的读写锁。

参数:

  • rwlock:指向要初始化的读写锁指针
  • attr:读写锁的属性指针。如果 attr 为 NULL 则会使用默认的属性初始化读写锁,否则使用指定的 attr 初始化读写锁

可以使用宏 PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 静态初始化读写锁,比如:
pthread_rwlock_t my_rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
这种方法等价于使用 NULL 指定的 attr 参数调用 pthread_rwlock_init() 来完成动态初始化,不> 同之处在于 PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 宏不进行错误检查。

申请读锁

函数原型: int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock );

作用: 以阻塞方式在读写锁上获取读锁(读锁定)。如果没有写者持有该锁,并且没有写者阻塞在该锁上,则调用线程会获取读锁。如果调用线程未获取读锁,则它将阻塞直到它获取了该锁。一个线程可以在一个读写锁上多次执行读锁定。线程可以成功调用 pthread_rwlock_rdlock() 函数 n 次,但是之后该线程必须调用 pthread_rwlock_unlock() 函数 n 次才能解除锁定。

参数:

  • rwlock:读写锁指针

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
用于尝试以非阻塞的方式来在读写锁上获取读锁。如果有任何的写者持有该锁或有写者阻塞在该读写锁上,则 立即失败返回。

申请写锁

函数原型: int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock );

作用: 在读写锁上获取写锁(写锁定)。如果没有写者持有该锁,并且没有写者读者持有该锁,则调用线程会获取写锁。如果调用线程未获取写锁,则它将阻塞直到它获取了该锁。

参数:

  • rwlock:读写锁指针

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
用于尝试以非阻塞的方式来在读写锁上获取写锁。如果有任何的读者或写者持有该锁,则立即失败返回

解锁

函数原型: int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *rwlock);

作用: 无论是读锁或写锁,都可以通过此函数解锁,因为锁只有一把

参数:

  • rwlock:读写锁指针

销毁读写锁

函数原型: int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

作用: 用于销毁一个读写锁,并释放所有相关联的资源(所谓的所有指的是由 pthread_rwlock_init() 自动申请的资源)

参数:

  • rwlock:读写锁指针

一个小 demo,三个线程不定时写同一全局资源,5个进程不定时读

#include<stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

pthread_rwlock_t rwlock; //创建读写锁
int var = 0;

void *tun_write(void *arg){
    int t;
    int i = (int)(long)arg;
    while(1){
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); //对写程序加写锁
        t = var;
        usleep(1000); 
        printf("=================write %d:%lu: var = %d var++ = %d\n",i ,pthread_self(), t, ++var);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock); //释放锁
        usleep(10000);
    }   
    return NULL;
}

void *tun_read(void *arg){
    int i  = (int)(long)arg, t;
    while(1){
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); //加读锁
        printf("=================read %d:%lu: var = %d\n",i ,pthread_self(),var);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(2000);
    }   
}

int main(){
    pthread_t tid[8];
    int i = 0;
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); //初始化

    for(i = 0;i < 3;i++){
        pthread_create(&tid[i], NULL, tun_write, (void *)(long)i+1); //创建子线程
    }   
    for(i = 3;i < 8;i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, tun_read, (void *)(long)i+1);

    for(i = 0;i < 8;i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);
    return 0;
}