函数的可重入性（reentrant）及线程安全

最新推荐文章于 2023-04-10 21:06:34 发布

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本文详细介绍了如何在链表中实现线程安全，通过互斥锁确保读写互斥及写者优先原则。包括互斥锁原理、读者写者问题解决方案以及具体代码实现步骤。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

这篇博客对应线上课程的第六次实验。

网易云课堂：http://mooc.study.163.com/learn/USTC-1000002006?tid=1000081002#/learn/announce
实验楼：https://www.shiyanlou.com/courses/122
代码库：http://git.shiyanlou.com/chenxu/shiyanlou_cs122

实验目的

要写一个线程安全的链表，为LinkTable添加互斥锁，完成“读写互斥”、“单写多读”的目的。

实验思路

互斥锁原理

首先要了解一下互斥锁的原理。在线程实际运行过程中，需要对多个线程操作的“共享空间”保持同步，这时可以用互斥锁来完成任务。

想进一步了解互斥锁的可以看看这篇博客：
http://blog.youkuaiyun.com/harry_lyc/article/details/6222920

读者写者问题

读者一写者问题是一个用信号量实现的经典进程同步问题。在系统中，一个数据集( 如文件或记录) 被几个并发进程共享，这些线程分两类，一部分只要求进行复操作，称之为“读者”；另一类要求写或修改操作，我们称之为“写者“。
读者优先的算法是一种解决办法：当没有写进程正在访问共享数据集时，读进程可以进入访问，否则必须等待。而读者优先的算法存在“饿死写者”线程的问题：只要有读者不断到来，写者就要持久地等待，直到所有的读者都读完且没有新的读者到来时写者才能写数据集。
在写者优先算法中，我们要实现的目标是：
1. 要让读者与写者之间、以及写者与写者之问要互斥地访同数据集；
2. 在无写进程到来时各读者可同时访问数据集；
3. 在读者和写者都等待时访问时写者优先．

想进一步了解读者写者问题的可以看看这几篇博客：
http://blog.youkuaiyun.com/cz_hyf/article/details/4443551

实验过程

实现部分借鉴了这位博主的内容 http://blog.youkuaiyun.com/yaozhiyi/article/details/7563869

互斥量

在Linktable内添加一系列互斥锁：

struct LinkTable
{
    tLinkTableNode *pHead;
    tLinkTableNode *pTail;
    int SumOfNode;
    int readerCnt;
    int writerCnt;  
    pthread_mutex_t accessReaderCnt;  
    pthread_mutex_t accessWriterCnt;  
    pthread_mutex_t writeLock;  
    pthread_mutex_t readerLock;  
    pthread_mutex_t outerLock;  
};

readerCnt：统计读者的数量，用于并发读取；
writerCnt：统计写者的数量，用于控制
accessReaderCnt：互斥各线程对readerCnt的访问；
accessWriterCnt：互斥各线程对writerCnt的访问；
writeLock：限制只有一个写者修改数据；
readerLock：写者优先，用于限制所有读者的锁；
outerLock：在一个读者到来时，阻塞后续读者，使写者有获取readerLock的优先性。

CreateLinkTable和DeleteLinkTable两个函数的修改很简单，只是加入了初始化互斥量和销毁互斥量的操作。主要的操作还是在AddLinkTableNode、DelLinkTableNode、SearchLinkTableNode和GetNextLinkTableNode这4个函数中，其中前两个为写操作，后两个为读操作。

写操作

在这里，使用AddLinkTableNode来进行说明读写互斥与写者优先的实现。
首先，在获得写操作互斥锁之前，先获取accessWriterCnt锁，来控制写者并发时不发生冲突；之后对写者数加1，且当第一个写者到来时对readerLock进行加锁，阻塞之后到来的所有读者。

pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->accessWriterCnt));
{//临界区,希望修改 writerCnt,独占 writerCnt
    pLinkTable->writerCnt++;
    if(pLinkTable->writerCnt == 1){
        //阻止后续的读者加入待读队列
        pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->readerLock));
    }
}
pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->accessWriterCnt));

在释放accessWriterCnt锁之后，本写者进行写操作,其他写者可以进入队列等待writeLock以获得写权限。

pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->writeLock));
{//临界区，限制只有一个写者修改数据
    //write();
    if (pLinkTable->pHead == NULL)
    {
        pLinkTable->pHead = pNode;
    }
    if (pLinkTable->pTail == NULL)
    {
        pLinkTable->pTail = pNode;
    }
    else
    {
        pLinkTable->pTail->pNext = pNode;
        pLinkTable->pTail = pNode;
    }
    pLinkTable->SumOfNode += 1;
}
pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->writeLock));

最后，判断一下写者队列，队列为空时再释放readerLock。

pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->accessWriterCnt));
{//临界区,希望修改 pLinkTable->writerCnt,独占 pLinkTable->writerCnt
    pLinkTable->writerCnt--;
    if(pLinkTable->writerCnt == 0){
        //阻止后续的读者加入待读队列
        pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->readerLock));
    }
}
pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->accessWriterCnt));

读操作

使用SearchLinkTableNode来说明读操作的实现。
首先对outerLock进行加锁，后续读者等待，在释放outerLock之前先释放readerLock，这时写者可获取readerLock，而其他读者需要等待outerLock；第一个到来的读者对writeLock进行加锁，防止在读取时写者进行更改。

pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->outerLock)); //假如写者锁定了readerLock,那么成千上万的读者被锁在这里
{//临界区
    pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->readerLock));//只被一个读者占有
    {//临界区
        pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->accessReaderCnt));//代码段 1
        {//临界区
            pLinkTable->readerCnt++;
            if(pLinkTable->readerCnt == 1){
                pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->writeLock));
            }
        }
        pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->accessReaderCnt));
    }
    pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->readerLock));//释放时,写者将优先获得readerLock
}
pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->outerLock));

查找成功的情况下（读取完成），判断读者队列，队列为空时释放writeLock。

tLinkTableNode * pNode = pLinkTable->pHead;
while (pNode != NULL)
{
    if (Conditon(pNode, args) == SUCCESS)
    {
        pthread_mutex_lock(&(pLinkTable->accessReaderCnt));//代码段2
        {//临界区
            pLinkTable->readerCnt--;
            if(pLinkTable->readerCnt == 0){
                pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->writeLock));//在最后一个并发读者读完这里开始禁止写者执行写操作
            }
        }
        pthread_mutex_unlock(&(pLinkTable->accessReaderCnt));
        return pNode;
    }
    pNode = pNode->pNext;
}