C++11实现一个读写自旋锁-2

本文主要是介绍C++11实现一个读写自旋锁-2，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

在上一篇文章中介绍的读写自旋锁方案，写者有可能饿死，本文介绍一种写者不会饿死的实现方案。

上文说到被饿死的原因是当写者正在等待读者释放锁时，它无法阻止排在它后面的读者继续成功申请到锁，这样就导致在它后面的读者都插队到它的前面去了。为了避免出现这种现象，可以在写者准备申请锁时，先设置一个标记，告诉后面到来的读者：我要准备申请锁了，你们后面来的统统排在我后面。只要这个标记没有被清除，读者就无法申请到锁，这样就能保证只要前面的读者释放锁了，写者就可以获取到锁。

那么，这个标记什么时候清除呢？当然，可以在写者获取得到锁后，清除这个标记，但是按照读写锁的语义，只要写者没有释放锁，读者和其它写者是不可能获取锁的，因此清除这个标记在写锁被释放之后才真正有意义，既然如此，可以把它作为获取和释放写锁的标记，写锁和读锁就不再共享同一个计数器了。当设置这个标记时，既可以表示写者准备申请锁，也可以表示写者正在持有锁，是写锁在申请过程中不同阶段的状态。

这样，在读写锁中有两个成员，一个用于标记是否有写者准备申请写锁或者正在占有写锁，另一个用于存放获取读锁的读者数量。

先看一下类的定义：

class rw_spin_lock {
public:
	rw_spin_lock() = default;
	~rw_spin_lock() = default;

	rw_spin_lock(const rw_spin_lock&) = delete;
	rw_spin_lock &operator=(const rw_spin_lock&) = delete;
	
	void lock_reader() noexcept;
	bool try_lock_reader() noexcept;
	void unlock_reader() noexcept;
	void lock_writer() noexcept;
	bool try_lock_writer() noexcept;
	void unlock_writer() noexcept;

private:
	atomic_bool write_flag{false}; // 标记是否正在申请或者正在占有写锁
	atomic_int read_counter{0}; // 标记持有读锁的读者个数
};

有两个数据成员，atomic_bool类型的write_flag用于标记是否有写者正准备申请写锁或者正占有写锁，如果等于true，表示有，如果等于false，表示没有；atomic_int类型的read_counter用于表示持有读锁的读者数量，如果为0，表示没有读者持有锁。

下面看一下各个函数的实现：

1、申请读锁

void rw_spin_lock::lock_reader() noexcept {
	while (true) {
		while (write_flag) {// 位置A，等待写锁释放，一旦写锁设置write_flag之后，获取读锁时只能等着，因为读写之间要互斥 
			pause_cpu();
		}

		read_counter.fetch_add(1); // 位置B，写锁已经释放，读者计数器加1 
		if (write_flag) {// 位置C，如果写锁释放后马上又被获取了 
			read_counter.fetch_sub(1); // 读锁计数器回滚到原状态
		} else {
			break;
		}
	}
}

读者先自旋等待write_flag为false，因为当write_flag为true时，说明要么写者已经持有写锁了，因为读写操作要互斥，读者只好等待；要么写者正准备申请写锁，因为希望写者优先，读者也只好等待。当write_flag为false后，说明已经没有写者要申请写锁了，就在第7行位置B处让read_counter加1，表示申请读锁成功，当然此处是个乐观机制，读者乐观地认为自己能够成功获得锁。不过，从判断write_flag为false后从while循环退出（A处），与让read_counter加1（B处），不是一个原子操作，这个过程在高度竞争中有可能另一个写者抢先获得了锁。因此，读者还要进一步判断，在read_counter成功加1之前，还有没有别的写者抢先获得锁了（C处），如果获得了，根据写者优先，读者会放弃读锁，即让read_counter减1，回滚为初值。

可见，获取读锁的过程分为三步，第一步，等待写锁释放，第二步，乐观加锁，第三步，判断是否成功锁定，若失败，重回第一步。

2、尝试申请读锁

bool rw_spin_lock::try_lock_reader() noexcept {
	if (write_flag) {// 写锁已被申请，因为读写之间要互斥，申请失败
		return false;
	}

	read_counter.fetch_add(1); // 乐观认为没有写锁，读者计数器加1 
	if (write_flag) {// 如果写锁抢先被申请了
		read_counter.fetch_sub(1); // 读锁回滚
		return false;
	} else {
		return true;
	}
}

该成员函数的实现逻辑简单一些，如果write_flag为true，则说明写者要么已经持有写锁，要么正要申请写锁，读锁申请失败，返回false。如果write_flag为false，则暂时让read_counter加1，乐观地认为能够申请到读锁，但是否真正获得锁，还得要进一步检查此期间是否有写者抢占了写锁，如果有，则获取读锁失败，回滚read_counter的值，并返回false，否则说明获取读锁成功，返回true。

3、释放读锁

void rw_spin_lock::unlock_reader() noexcept {
	read_counter.fetch_sub(1);
}

释放读锁非常简单，就是让counter减1，当最后一个持有锁的读者线程成功释放后，counter等于0，说明没有任何读者持有读锁了。

4、申请写锁

void rw_spin_lock::lock_writer() noexcept {
	bool expect;
	do { // 先设置写标记，表示有写请求，此时如果后面有读操作则会申请不到读锁，如果同时有别的写者已设置该标记，就进入自旋中 
		expect = false;
	} while (!write_flag.compare_exchange_strong(expect, true)); // write_flag与expect相等，write_flag更新为true，并返回true，否则返回false

	while (read_counter != 0) { // 等待所有的读者释放读锁 
		pause_cpu();
	}
}

写者在申请锁时由两个循环构成，对应两个操作过程，第一步是宣称要申请锁，第二步是等待真正持有锁。

第一步是先和其它的写者竞争，竞争成功的写者线程把write_flag置为true，不成功的继续自旋等到这个write_flag为false。第二步是竞争成功的写者还得等待获得读锁的存量读者释放锁，也是使用自旋等待的机制。写者在第一步设置write_flag还同时告诉正准备申请读锁的读者，你们要等待这个标记清除之后才能申请，这些读者也处于自旋等待中，详见lock_reader()函数的位置A处。

可见在申请锁的过程中，可能会同时有三种形式的自旋等待，第一种是已经竞争到write_flag的写者在read_counter上自旋，没有竞争到write_flag的写者在write_flag上自旋，正在申请读锁的读者在write_flag上自旋。在read_counter上自旋的只有已经获得write_flag的写者线程自己，没有别的读者或者写者线程和它竞争，可见，只要读者线程释放了锁，这个写者线程就能立即获得锁，从而保证了写者优先。

5、尝试申请写锁

bool rw_spin_lock::try_lock_writer() noexcept {
	bool expect = false; // 假设其它写者没有持有写锁
	if (!write_flag.compare_exchange_strong(expect, true))
		return false;

	if (read_counter == 0)
		return true; // 读者没有持有读锁
	else {// 读者正在持有读锁，回滚write_flag，返回false
		write_flag = false;
		return false;
	}
}

首先使用cas算法尝试把write_flag从false更新为true，如果cas返回true，说明能够成功更新，则有可能成功申请到写锁，进一步判断读锁的占有状态；如果cas返回false，说明没有成功更新，则说明有别的写者正在申请或已经申请到锁了，返回false。当成功设置write_flag为true后，接下来检查read_counter是否为0，如果read_counter为0，说明没有读者持有锁，则成功获取写锁，返回true；如果不为0，说明有读者持有锁，根据写锁和读锁互斥的原则，无法成功获取写锁，回滚write_flag的状态为false，并返回false。

6、释放写锁

void rw_spin_lock::unlock_writer() noexcept {
    write_flag = false;
}

释放锁非常简单，让write_flag等于false即可。

该实现方案保证了写者在申请锁时，不会被饿死，但是如果一个写者正在持有锁，还有一些写者和读者线程也在同时申请锁，当写者释放锁后，这些读者会和写者一起进行竞争。也就是当前面一个写者释放锁（让write_flag为false）的操作，和下一个写者获取锁（让write_flag为true）的操作，不是原子的，中间有时间间隙，在这个间隙期间，当读者和写者一起竞争时，有可能读者会抢先申请到锁，导致写者不能及时获得锁，不过，当这个读者释放锁之后，写者会立即获取到锁，不会饿死。

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