Linux多线程同步机制—读写锁(Read-Write Lock)

概述

读写锁（Read-Write Lock）是一种线程同步机制，用于管理对共享资源的访问。与互斥锁（Mutex）不同，读写锁允许多个线程同时以读模式访问共享资源，但只允许一个线程以写模式访问资源。这种机制特别适用于读操作远多于写操作的场景，可以显著提高程序的并发性能。

读写锁原理

读写锁的设计基于以下原则：

• 读操作共享：允许多个读线程同时访问共享资源，只要没有写线程正在访问或等待访问资源。
• 写操作排他：在任何时候，只允许一个写线程访问共享资源。在写线程持有锁期间，所有的读线程和写线程都将被阻塞。

读写锁内部实现机制

读写锁的内部实现通常依赖于一个或多个底层锁和一些额外的状态信息。以下是一种常见的实现方式：

• 计数器：用于跟踪当前有多少读线程正在持有读锁。通常，当计数器大于 0 时，表示有读线程正在访问资源，此时不允许写线程获取锁；当计数器为 0 时，表示没有读线程持有锁，写线程可以尝试获取锁。
• 写锁标志：用于标记是否有写线程正在持有锁或者有写线程正在等待获取锁。当写锁标志为真时，所有读线程和写线程都将被阻塞，直到写线程释放锁。
• 底层互斥锁和条件变量：读写锁通常会使用一个互斥锁来保护其内部状态（如计数器和写锁标志），以及一个或多个条件变量来实现线程间的等待和唤醒机制。

读写锁的典型实现

在 Linux 和 POSIX 兼容的系统中，读写锁通常通过 pthread_rwlock_t 类型实现。其内部可能包含如下组件：

• 互斥锁（Mutex）：用于保护读写锁的内部状态，如读计数器和写锁状态。
• 读计数器（Read Counter）：记录当前持有读锁的线程数量。
• 条件变量（Condition Variable）：用于实现线程的等待和通知机制。通常，会有两个条件变量，一个用于读线程，一个用于写线程。

当线程尝试获取读锁时，它会检查写锁状态和读计数器，如果当前没有写线程正在访问资源，则增加读计数器并允许读线程继续；如果存在写操作，则读线程将被阻塞，直到写操作完成。

类似地，当线程尝试获取写锁时，它会检查读计数器和写锁状态。如果当前没有读线程和写线程正在访问资源，则设置写锁状态并允许写线程继续；如果有读线程或写线程正在访问资源，则写线程将被阻塞，直到所有读线程和前一个写线程完成操作。

读写锁相关API

当然，我会补充完整上面的程序，并进一步完善API函数的描述。请注意，由于程序中的线程是无限循环的，为了示例的完整性，我将添加一个全局变量作为退出条件。此外，我将更详细地解释API函数的使用。

pthread_rwlock_init -- 初始化读写锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);

• 参数：

rwlock：指向要初始化的读写锁变量的指针。

attr：（可选）指向读写锁属性的指针。如果传递NULL，则使用默认属性。

• 返回值：成功时返回0，失败时返回错误码。

pthread_rwlock_destroy -- 销毁读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 参数：

rwlock：指向要销毁的读写锁变量的指针。

• 返回值：成功时返回0，失败时返回错误码。

pthread_rwlock_rdlock -- 加读锁

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 参数：

rwlock：指向读写锁变量的指针。

• 返回值：成功时返回0，失败时返回错误码。如果锁被其他线程以写模式持有，则调用线程将被阻塞。

pthread_rwlock_wrlock -- 加写锁

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 参数：

rwlock：指向读写锁变量的指针。

• 返回值：成功时返回0，失败时返回错误码。如果锁被其他线程以读模式或写模式持有，则调用线程将被阻塞。

pthread_rwlock_tryrdlock -- 尝试加读锁（非阻塞）

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 参数：

rwlock：指向读写锁变量的指针。

• 返回值：成功时返回0，如果锁不可用，则返回EBUSY。

C 语言实现读写锁

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