linux使用读写锁pthread_rwlock_t

本文介绍了读写锁的基本概念及其在多线程环境中的使用方法。包括读写锁的初始化、读锁、写锁、解锁及销毁等核心操作,并详细解释了各函数的语法及返回值。

使用读写锁

配置读写锁的属性之后,即可初始化读写锁。以下函数用于初始化或销毁读写锁、锁定或解除锁定读写锁或尝试锁定读写锁。下表列出了本节中讨论的用来处理读写锁的函数。

表 4–9 处理读写锁的例程

操作

相关函数说明

初始化读写锁

pthread_rwlock_init 语法

读取读写锁中的锁

pthread_rwlock_rdlock 语法

读取非阻塞读写锁中的锁

pthread_rwlock_tryrdlock 语法

写入读写锁中的锁

pthread_rwlock_wrlock 语法

写入非阻塞读写锁中的锁

pthread_rwlock_trywrlock 语法

解除锁定读写锁

pthread_rwlock_unlock 语法

销毁读写锁

pthread_rwlock_destroy 语法

 

初始化读写锁

使用 pthread_rwlock_init(3C) 可以通过attr 所引用的属性初始化rwlock 所引用的读写锁。

pthread_rwlock_init 语法

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, 

        const pthread_rwlockattr_t *attr);

pthread_rwlock_t  rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

如果 attrNULL,则使用缺省的读写锁属性,其作用与传递缺省读写锁属性对象的地址相同。初始化读写锁之后,该锁可以使用任意次数,而无需重新初始化。成功初始化之后,读写锁的状态会变为已初始化和未锁定。如果调用pthread_rwlock_init() 来指定已初始化的读写锁,则结果是不确定的。如果读写锁在使用之前未初始化,则结果是不确定的。对于 Solaris 线程,请参见rwlock_init语法

如果缺省的读写锁属性适用,则 PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 宏可初始化以静态方式分配的读写锁,其作用与通过调用pthread_rwlock_init() 并将参数attr 指定为 NULL 进行动态初始化等效,区别在于不会执行错误检查。

pthread_rwlock_init 返回值

如果成功,pthread_rwlock_init() 会返回零。否则,将返回用于指明错误的错误号。

如果 pthread_rwlock_init() 失败,将不会初始化rwlock,并且rwlock 的内容是不确定的。

EINVAL

描述:

attrrwlock 指定的值无效。

获取读写锁中的读锁

pthread_rwlock_rdlock(3C) 可用来向rwlock 所引用的读写锁应用读锁。

pthread_rwlock_rdlock 语法

#include <pthread.h>

int  pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock );

如果写入器未持有读锁,并且没有任何写入器基于该锁阻塞,则调用线程会获取读锁。如果写入器未持有读锁,但有多个写入器正在等待该锁时,调用线程是否能获取该锁是不确定的。如果某个写入器持有读锁,则调用线程无法获取该锁。如果调用线程未获取读锁,则它将阻塞。调用线程必须获取该锁之后,才能从pthread_rwlock_rdlock() 返回。如果在进行调用时,调用线程持有rwlock 中的写锁,则结果是不确定的。

为避免写入器资源匮乏,允许在多个实现中使写入器的优先级高于读取器。例如,Solaris 线程实现中写入器的优先级高于读取器。 请参见rw_rdlock 语法

一个线程可以在 rwlock 中持有多个并发的读锁,该线程可以成功调用pthread_rwlock_rdlock()n 次。该线程必须调用pthread_rwlock_unlock()n 次才能执行匹配的解除锁定操作。

如果针对未初始化的读写锁调用 pthread_rwlock_rdlock(),则结果是不确定的。

线程信号处理程序可以处理传送给等待读写锁的线程的信号。从信号处理程序返回后,线程将继续等待读写锁以执行读取,就好像线程未中断一样。

pthread_rwlock_rdlock 返回值

如果成功,pthread_rwlock_rdlock() 会返回零。否则,将返回用于指明错误的错误号。

EINVAL

描述:

attrrwlock 指定的值无效。

读取非阻塞读写锁中的锁

pthread_rwlock_tryrdlock(3C) 应用读锁的方式与pthread_rwlock_rdlock() 类似,区别在于如果任何线程持有rwlock 中的写锁或者写入器基于rwlock 阻塞,则 pthread_rwlock_tryrdlock() 函数会失败。对于 Solaris 线程,请参见rw_tryrdlock语法

pthread_rwlock_tryrdlock 语法

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock 返回值

如果获取了用于在 rwlock 所引用的读写锁对象中执行读取的锁,则pthread_rwlock_tryrdlock() 将返回零。如果没有获取该锁,则返回用于指明错误的错误号。

EBUSY

描述:

无法获取读写锁以执行读取,因为写入器持有该锁或者基于该锁已阻塞。

写入读写锁中的锁

pthread_rwlock_wrlock(3C) 可用来向rwlock 所引用的读写锁应用写锁。

pthread_rwlock_wrlock 语法

#include <pthread.h>

int  pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock );

如果没有其他读取器线程或写入器线程持有读写锁 rwlock,则调用线程将获取写锁。否则,调用线程将阻塞。调用线程必须获取该锁之后,才能从pthread_rwlock_wrlock() 调用返回。如果在进行调用时,调用线程持有读写锁(读锁或写锁),则结果是不确定的。

为避免写入器资源匮乏,允许在多个实现中使写入器的优先级高于读取器。(例如,Solaris 线程实现允许写入器的优先级高于读取器。请参见rw_wrlock 语法。)

如果针对未初始化的读写锁调用 pthread_rwlock_wrlock(),则结果是不确定的。

线程信号处理程序可以处理传送给等待读写锁以执行写入的线程的信号。从信号处理程序返回后,线程将继续等待读写锁以执行写入,就好像线程未中断一样。

pthread_rwlock_wrlock 返回值

如果获取了用于在 rwlock 所引用的读写锁对象中执行写入的锁,则pthread_rwlock_rwlock() 将返回零。如果没有获取该锁,则返回用于指明错误的错误号。

写入非阻塞读写锁中的锁

pthread_rwlock_trywrlock(3C) 应用写锁的方式与pthread_rwlock_wrlock() 类似,区别在于如果任何线程当前持有用于读取和写入的rwlock,则pthread_rwlock_trywrlock() 函数会失败。对于 Solaris 线程,请参见rw_trywrlock 语法

pthread_rwlock_trywrlock 语法

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t  *rwlock);

如果针对未初始化的读写锁调用 pthread_rwlock_trywrlock(),则结果是不确定的。

线程信号处理程序可以处理传送给等待读写锁以执行写入的线程的信号。从信号处理程序返回后,线程将继续等待读写锁以执行写入,就好像线程未中断一样。

pthread_rwlock_trywrlock 返回值

如果获取了用于在 rwlock 引用的读写锁对象中执行写入的锁,则pthread_rwlock_trywrlock() 将返回零。否则,将返回用于指明错误的错误号。

EBUSY

描述:

无法为写入获取读写锁,因为已为读取或写入锁定该读写锁。

解除锁定读写锁

pthread_rwlock_unlock(3C) 可用来释放在rwlock 引用的读写锁对象中持有的锁。

pthread_rwlock_unlock 语法

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t  *rwlock);

如果调用线程未持有读写锁 rwlock,则结果是不确定的。对于 Solaris 线程,请参见rw_unlock 语法

如果通过调用 pthread_rwlock_unlock() 来释放读写锁对象中的读锁,并且其他读锁当前由该锁对象持有,则该对象会保持读取锁定状态。如果pthread_rwlock_unlock() 释放了调用线程在该读写锁对象中的最后一个读锁,则调用线程不再是该对象的属主。如果pthread_rwlock_unlock() 释放了该读写锁对象的最后一个读锁,则该读写锁对象将处于无属主、解除锁定状态。

如果通过调用 pthread_rwlock_unlock() 释放了该读写锁对象的最后一个写锁,则该读写锁对象将处于无属主、解除锁定状态。

如果 pthread_rwlock_unlock() 解除锁定该读写锁对象,并且多个线程正在等待获取该对象以执行写入,则通过调度策略可确定获取该对象以执行写入的线程。如果多个线程正在等待获取读写锁对象以执行读取,则通过调度策略可确定等待线程获取该对象以执行写入的顺序。如果多个线程基于rwlock 中的读锁和写锁阻塞,则无法确定读取器和写入器谁先获得该锁。

如果针对未初始化的读写锁调用 pthread_rwlock_unlock(),则结果是不确定的。

pthread_rwlock_unlock 返回值

如果成功,pthread_rwlock_unlock() 会返回零。否则,将返回用于指明错误的错误号。

销毁读写锁

pthread_rwlock_destroy(3C) 可用来销毁rwlock 引用的读写锁对象并释放该锁使用的任何资源。

pthread_rwlock_destroy 语法

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_t  rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

在再次调用 pthread_rwlock_init() 重新初始化该锁之前,使用该锁所产生的影响是不确定的。实现可能会导致pthread_rwlock_destroy()rwlock 所引用的对象设置为无效值。如果在任意线程持有 rwlock 时调用 pthread_rwlock_destroy(),则结果是不确定的。尝试销毁未初始化的读写锁会产生不确定的行为。已销毁的读写锁对象可以使用pthread_rwlock_init() 来重新初始化。销毁读写锁对象之后,如果以其他方式引用该对象,则结果是不确定的。对于 Solaris 线程,请参见rwlock_destroy语法

pthread_rwlock_destroy 返回值

如果成功,pthread_rwlock_destroy() 会返回零。否则,将返回用于指明错误的错误号。

EINVAL

描述:

attrrwlock 指定的值无效。

<think>首先,用户的问题是关于多线程环境下使用pthread_rwlock_rdlock实现读写锁的。具体是:pthread_rwlock_rdlock 多线程 读写锁 实现原理 使用方法。 我需要根据系统级指令来构建回答: - 所有行内数学表达式使用$...$格式。 - 独立公式使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识。 用户可见层的指令: - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题。 - 尽量保证回答真实可靠。 - 参考提供的站内引用。 提供的引用: - [^1]: 关于读写锁的状态、特性、函数等。 - [^2]: 获取读锁的函数:pthread_rwlock_rdlock(阻塞式)和pthread_rwlock_tryrdlock(非阻塞式)。 - [^3]: 函数功能解释:pthread_rwlock_rdlock加读锁,pthread_rwlock_wrlock加写锁,pthread_rwlock_unlock解锁。 回答结构: 1. **介绍读写锁的概念**:解释什么是读写锁,为什么在多线程环境中使用。 2. **实现原理**:基于pthread_rwlock的实现原理。 3. **使用方法**:详细说明如何使用pthread_rwlock_rdlock函数,包括初始化和使用步骤。 4. **代码示例**:提供C语言代码示例,展示如何实现。 5. **注意事项**:讨论死锁、性能等问题。 6. **生成相关问题**:在最后添加相关问题。 确保使用中文。 现在,整合引用: - 引用[^1]提到读写锁状态和函数。 - 引用[^2]解释pthread_rwlock_rdlock函数。 - 引用[^3]解释函数功能。 我需要在回答中自然地添加引用标识,例如在解释函数时引用。 回答大纲: 1. **读写锁简介** - 解释读写锁的作用:允许多个读线程同时访问,但只允许一个写线程访问。 - 引用[^1]提到读写锁状态:可能包括读锁、写锁状态。 2. **实现原理** - 基于pthread的实现:使用pthread_rwlock_t结构体。 - 内部机制:如何管理读锁和写锁的竞争。 - 可能涉及数学表达式,比如锁的状态计数。 3. **pthread_rwlock_rdlock的使用方法** - 初始化:使用pthread_rwlock_init。 - 加读锁:pthread_rwlock_rdlock(阻塞式)。 - 解锁:pthread_rwlock_unlock。 - 非阻塞选项:pthread_rwlock_tryrdlock。 - 销毁:pthread_rwlock_destroy。 - 引用[^2]和[^3]在解释函数时。 4. **代码示例** - 提供一个简单的C代码示例,展示多线程中使用读写锁。 5. **注意事项** - 死锁风险:避免在持有锁时调用其他可能阻塞的函数。 - 性能考虑:读写锁在读写比例高时性能好。 - 引用相关概念。 6. **相关问题** - 生成3-5个相关问题,基于用户查询。 数学表达式:如果涉及原理,比如锁的计数,可以使用行内数学,例如状态变量计数。 例如,实现原理中,读写锁可能维护一个计数器:读锁计数$r$,当$r > 0$时,读锁被持有;写锁请求时需$r=0$。使用$...$格式。 独立公式:如果有必要,比如一个公式描述锁的条件,使用$$...$$。 最后,生成相关问题: 1. 如何避免读写锁中的死锁? 2. pthread_rwlock_wrlock的使用方法是什么? 3. 读写锁与互斥锁的区别是什么? 4. 在什么场景下使用读写锁更有效? 确保回答真实可靠:基于标准pthread库知识。</think>### 多线程环境下使用 pthread_rwlock_rdlock 实现读写锁 读写锁是一种线程同步机制,允许多个线程同时读取共享资源(读锁),但只允许一个线程写入资源(写锁)。这显著提高了多线程程序的性能,尤其在读操作远多于写操作的场景下(例如数据库或文件系统)[^1]。下面,我将逐步解释 `pthread_rwlock_rdlock` 的实现原理、使用方法,并提供代码示例。 --- ### 1. 读写锁的实现原理 读写锁的核心原理基于状态管理:它维护一个计数器来跟踪当前持有读锁的线程数量。实现通常涉及以下机制: - **状态变量**:读写锁使用一个共享变量(如 `pthread_rwlock_t` 结构体)存储状态。读锁被持有时,计数器$r$递增($r \geq 0$);写锁请求需等待$r = 0$时才被授予[^1]。 - **竞争控制**: - 当线程调用 `pthread_rwlock_rdlock` 时,如果当前无写锁(即$r \geq 0$),读锁立即被授予,$r$增加1。 - 如果写锁被持有($r < 0$ 或标志位指示写锁活跃),读线程被阻塞,直到写锁释放。 - **公平性与优先级**:标准实现通常采用“读优先”或“写优先”策略。Linuxpthread 库默认偏向读优先,但可通过属性设置调整[^3]。 - **数学基础**:锁的状态可用一个整数表示: $$ S = \begin{cases} r & \text{(读模式,} r > 0\text{)} \\ -1 & \text{(写模式)} \end{cases} $$ 其中,$S$ 的值为正时允许多个读锁,为负时禁止读写操作[^1]。 这种设计减少了线程竞争,提升了并发性,但需注意死锁风险(如线程在持有读锁时尝试获取写锁)。 --- ### 2. pthread_rwlock_rdlock 的使用方法 `pthread_rwlock_rdlock` 是 POSIX 线程库提供的函数,用于以阻塞方式获取读锁。其函数原型为: ```c int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); ``` - **参数**:`rwlock` 是指向读写锁对象的指针。 - **返回值**:成功时返回 0;错误时返回错误码(如 `EBUSY` 表示锁不可用,但此函数通常阻塞直至成功)[^2]。 #### 使用步骤: 1. **初始化读写锁**:使用 `pthread_rwlock_init` 创建锁对象。 2. **加读锁**:在需要读取共享资源的线程中调用 `pthread_rwlock_rdlock`。如果写锁被持有,线程阻塞。 3. **访问资源**:安全地执行读操作。 4. **解锁**:使用 `pthread_rwlock_unlock` 释放锁。 5. **销毁锁**:使用 `pthread_rwlock_destroy` 清理资源[^1]。 #### 非阻塞替代方案: - `pthread_rwlock_tryrdlock`:非阻塞版本,立即返回。如果锁不可用,返回 `EBUSY`,避免线程等待[^2]。 - 适用场景:当线程需避免阻塞时(如实时系统)。 #### 注意事项: - **死锁预防**:确保线程在持有读锁时不尝试获取写锁(否则可能导致死锁)。使用超时机制或锁属性调整。 - **性能优化**:在读写比例高(如读操作占 80% 以上)时,读写锁性能优于互斥锁;否则,互斥锁更简单高效[^3]。 - **错误处理**:始终检查返回值,避免未定义行为。 --- ### 3. 代码示例:多线程读写锁实现 以下是一个简单的 C 语言示例,展示如何在多线程环境中使用 `pthread_rwlock_rdlock` 实现读写锁。该程序模拟多个读线程和一个写线程访问共享数据。 ```c #include <stdio.h> #include <pthread.h> // 共享资源 int shared_data = 0; pthread_rwlock_t rwlock; // 读写锁对象 // 读线程函数 void* reader_thread(void* arg) { int id = *(int*)arg; pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 获取读锁(阻塞式) printf("Reader %d: read data = %d\n", id, shared_data); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 释放锁 return NULL; } // 写线程函数 void* writer_thread(void* arg) { pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 获取写锁 shared_data++; // 修改共享数据 printf("Writer: updated data to %d\n", shared_data); pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 释放锁 return NULL; } int main() { pthread_t readers[3], writer; int ids[] = {1, 2, 3}; // 初始化读写锁 pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); // 创建写线程(一个) pthread_create(&writer, NULL, writer_thread, NULL); // 创建读线程(多个) for (int i = 0; i < 3; i++) { pthread_create(&readers[i], NULL, reader_thread, &ids[i]); } // 等待所有线程结束 pthread_join(writer, NULL); for (int i = 0; i < 3; i++) { pthread_join(readers[i], NULL); } // 销毁锁 pthread_rwlock_destroy(&rwlock); return 0; } ``` #### 代码说明: - **读线程**:调用 `pthread_rwlock_rdlock` 安全读取 `shared_data`,多个读线程可同时执行。 - **写线程**:使用 `pthread_rwlock_wrlock` 独占访问,修改数据。 - **输出示例**:可能显示读线程并行读取,而写线程阻塞读操作直至完成[^3]。 编译命令:`gcc -o rwlock_example rwlock_example.c -lpthread` --- ### 4. 关键注意事项 - **线程安全**:确保所有访问共享资源的线程都使用同一读写锁对象。 - **属性设置**:通过 `pthread_rwlockattr_t` 调整锁属性(如优先级策略),避免饥饿问题[^1]。 - **资源泄漏**:始终配对调用 `init/destroy` 和 `lock/unlock`,防止内存泄漏或未定义行为。 - **性能监控**:在高并发场景,使用工具(如 Valgrind)检测锁竞争。 读写锁是高效的多线程同步工具,但需结合场景选择。例如,在实时系统中,非阻塞函数(`pthread_rwlock_tryrdlock`)更可靠[^2]。 --- ### 相关问题 1. 如何避免读写锁中的死锁? 2. pthread_rwlock_wrlock 的使用方法及与读锁的区别是什么? 3. 读写锁与互斥锁(pthread_mutex)的性能对比如何? 4. 在 Linux 中,如何设置读写锁的属性以实现写优先策略? [^1]: 读写锁状态包括读锁和写锁模式,通过计数器管理并发访问。主要函数如 `pthread_rwlock_init` 和 `pthread_rwlock_rdlock` 实现初始化和加锁操作。 [^2]: `pthread_rwlock_rdlock` 以阻塞方式获取读锁,如果写锁被持有,线程会等待;非阻塞版本 `pthread_rwlock_tryrdlock` 返回 `EBUSY` 而不阻塞。 [^3]: 读写锁函数的功能包括:读锁允许多线程并发,写锁独占资源;解锁操作通用。死锁风险需通过设计避免。
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