读写锁（rwlock）

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于 2025-03-27 16:18:55 发布

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文章标签： linux 内核读写锁并发驱动

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/a5566255/article/details/146564388

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读写锁（Read-Write Lock，简称 rwlock）是一种同步机制，允许多个线程同时读取共享资源，但在写入时要求独占访问。其核心目标是优化 读多写少 场景下的并发性能。以下是其原理、使用方法及如何提升读操作并发度的详细解析：

一、读写锁的原理

1. 核心设计思想

读共享，写互斥：
- 读锁（Read Lock）：允许多个线程同时获取读锁，并行读取共享资源。
- 写锁（Write Lock）：同一时间仅允许一个线程获取写锁，且此时所有读锁和写锁均被阻塞。
优先级策略：
为避免写线程饥饿（长时间等待），多数实现优先处理写请求（即一旦有写请求等待，后续读请求需等待写完成）。

2. 内部状态管理

读写锁通常维护以下状态：

读计数器：记录当前持有读锁的线程数。
写标记：标识是否有线程持有写锁或正在等待写锁。
等待队列：管理等待获取锁（读/写）的线程。

二、读写锁的使用方法

1. 基本操作接口

// 伪代码示例（不同语言API可能不同）
rwlock_t lock;

// 初始化读写锁
rwlock_init(&lock);

// 读锁定：允许多线程同时获取
void read_lock(rwlock_t *lock) {
    while (lock->write_active || lock->write_waiting) {
        // 等待写锁释放或写请求完成
    }
    lock->read_count++;
}

// 读解锁
void read_unlock(rwlock_t *lock) {
    lock->read_count--;
}

// 写锁定：独占访问
void write_lock(rwlock_t *lock) {
    lock->write_waiting = true;
    while (lock->read_count > 0 || lock->write_active) {
        // 等待所有读锁释放且无其他写锁
    }
    lock->write_waiting = false;
    lock->write_active = true;
}

// 写解锁
void write_unlock(rwlock_t *lock) {
    lock->write_active = false;
}

2. 典型使用场景

// 共享资源
int shared_data = 0;
rwlock_t data_lock;

// 读线程
void* reader(void* arg) {
    read_lock(&data_lock);
    printf("Read data: %d\n", shared_data);
    read_unlock(&data_lock);
    return NULL;
}

// 写线程
void* writer(void* arg) {
    write_lock(&data_lock);
    shared_data++;
    printf("Write data: %d\n", shared_data);
    write_unlock(&data_lock);
    return NULL;
}

三、读写锁如何提升读操作的并发度

1. 读操作的并行性

互斥锁（Mutex）的局限性：
无论读或写，同一时间仅允许一个线程访问资源。在读多场景下，多个读线程需串行执行，导致性能瓶颈。
读写锁的优势：
允许多个读线程 并行执行，消除不必要的等待，显著提升吞吐量。

2. 性能对比

场景	互斥锁	读写锁
10读线程 + 1写线程	串行执行	读并行，写串行
延迟（假设）	100ms	20ms

3. 适用场景

读多写少：如配置加载、缓存访问、数据分析。
写操作耗时短：避免写锁长时间阻塞读操作。
数据一致性要求高：写操作需确保原子性。

四、读写锁的潜在问题与优化

1. 写线程饥饿

原因：持续有读线程获取锁，导致写线程无法及时执行。
解决方案：
- 公平策略：写请求优先（如 Java 的 StampedLock）。
- 限制读锁重入：避免单个线程长期占用读锁。

2. 锁粒度优化

细粒度锁：将共享数据划分为多个部分，每个部分使用独立的读写锁。
结合无锁结构：对频繁读的数据使用原子操作或无锁数据结构。

3. 高级变种

乐观读写锁：
假设写冲突少，读操作不加锁，通过版本号验证数据一致性（如 StampedLock.tryOptimisticRead()）。
升级/降级锁：
允许读锁升级为写锁（需原子性保证），或写锁降级为读锁。

五、代码示例（C++11中的 `std::shared_mutex`）

#include <shared_mutex>
#include <thread>

std::shared_mutex rwlock;
int shared_data = 0;

// 读线程
void reader() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rwlock);
    std::cout << "Read: " << shared_data << std::endl;
}

// 写线程
void writer() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rwlock);
    shared_data++;
    std::cout << "Write: " << shared_data << std::endl;
}