Linux使用互斥锁和条件变量实现读写锁(读优先)

本文介绍了一种自定义读写锁的实现方式,通过使用互斥锁和条件变量来控制多个读操作或单一写操作对共享资源的访问。详细展示了读锁、写锁及解锁的函数逻辑。

本篇博客结合上篇读写锁(写优先)

//my_pthread_rwlock.h

#pragma once

#include<pthread.h>
#include<stdio.h>

typedef struct
{
    pthread_mutex_t rw_mutex;
    pthread_cond_t  rw_condreaders;
    pthread_cond_t  rw_condwriters;
    int             rw_magic;
    int             rw_nwaitreaders;
    int             rw_nwaitwriters;
    int             rw_refcount;       // 0 >0 ==-1
}my_pthread_rwlock_t;

#define  RW_MAGIC  0x20180326

#define MY_PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER {PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER, PTHREAD_COND_INITIALIZER,\
RW_MAGIC,0,0,0}

typedef int  my_pthread_rwlockattr_t;

int my_pthread_rwlock_rdlock(my_pthread_rwlock_t *rw);
int my_pthread_rwlock_wrlock(my_pthread_rwlock_t *rw);
int my_pthread_rwlock_unlock(my_pthread_rwlock_t *rw);

//my_pthread_rwlock.c

#include"my_pthread_rwlock.h"
#include<pthread.h>

int my_pthread_rwlock_rdlock(my_pthread_rwlock_t *rw)
{
    int result;
    if(rw->rw_magic != RW_MAGIC)
        return -1;
    if((result = pthread_mutex_lock(&rw->rw_mutex)) != 0)  //锁成功返回0
        return result;

    while(rw->rw_refcount < 0 ) //被写锁占用或者读锁优先的情况
    {
        rw->rw_nwaitreaders++;
        result = pthread_cond_wait(&rw->rw_condreaders,&rw->rw_mutex);
        rw->rw_nwaitreaders--;
        if(result != 1)
            break;
    }
    if(result == 0)
        rw->rw_refcount++;

    pthread_mutex_unlock(&rw->rw_mutex);
    return result;
}

int my_pthread_rwlock_wrlock(my_pthread_rwlock_t *rw)
{
    int result;
    if(rw->rw_magic != RW_MAGIC)
        return -1;
    if((result = pthread_mutex_lock(&rw->rw_mutex)) != 0)
        return result;

    while(rw->rw_refcount != 0)    //有读时不能写
    {
        rw->rw_nwaitwriters++;
        result = pthread_cond_wait(&rw->rw_condwriters, &rw->rw_mutex);
        rw->rw_nwaitwriters--;
        if(result != 0)
            break;
    }

    if(result == 0)
        rw->rw_refcount = -1;

    pthread_mutex_unlock(&rw->rw_mutex);
        return result;
}

int my_pthread_rwlock_unlock(my_pthread_rwlock_t *rw)
{
    int result;
    if(rw->rw_magic != RW_MAGIC)
        return -1;
    if((result = pthread_mutex_lock(&rw->rw_mutex)) != 0)
        return result;

    if(rw->rw_refcount > 0)
        rw->rw_refcount--;
    else if(rw->rw_refcount == -1)
        rw->rw_refcount = 0;
    else
        printf("unlock error.\n", rw->rw_refcount);

    if(rw->rw_nwaitreaders > 0)
        result = pthread_cond_broadcast(&rw->rw_condreaders);
    else if(rw->rw_nwaitwriters > 0)
    {
        if(rw->rw_refcount == 0)
            result = pthread_cond_signal(&rw->rw_condwriters);
    }
    pthread_mutex_unlock(&rw->rw_mutex);
    return result;
}

主函数类似上篇

Linux 的 POSIX 线程(pthreads)中,**条件变量(`pthread_cond_t`)的设计初衷是必须与互斥锁(`pthread_mutex_t`)一起使用**。这是因为 `pthread_cond_wait` 函数内部会自动释放锁并进入等待状态,唤醒后又会自动重新获取锁,这种机制可以保证等待唤醒之间的原子性,防止竞态条件。 ### 回答重点: **你不能在 Linux 中只使用条件变量而不使用互斥锁。** 因为 `pthread_cond_wait` 的原型如下: ```c int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex); ``` 它强制要求传入一个互斥锁指针,否则编译会报错。 --- ### 为什么必须搭配互斥锁? 1. **原子性**:`pthread_cond_wait` 会自动释放互斥锁并进入等待状态。这两个操作是原子的,防止在释放锁之后、进入等待之前出现竞态。 2. **唤醒后重新加锁**:当条件变量被唤醒时,线程会尝试重新获取互斥锁,以确保对共享资源的访问安全。 3. **条件检查的保护**:共享状态(如生产者-消费者模型中的 `count`)的检查修改必须由锁保护。 --- ### 如果你不想使用互斥锁怎么办? 如果你不想使用互斥锁,但又想实现线程同步,可以考虑以下替代方案: 1. **使用信号量(semaphore)**: - 使用 `sem_wait` `sem_post` 实现线程同步。 - 示例:生产者-消费者问题中可以用两个信号量(`empty` `full`)实现。 2. **使用读写锁(`pthread_rwlock_t`)**: - 当多个线程需要共享资源,但只有一个线程时,读写锁更高效。 3. **使用原子操作(C11 的 `_Atomic`、GCC 的 `__sync` 或 `stdatomic.h`)**: - 如果共享状态可以简化为一个原子变量(如计数器),可以使用原子操作来避免锁。 --- ### 示例:使用信号量代替条件变量互斥锁 以下是一个使用信号量实现的生产者-消费者模型,**不使用互斥锁条件变量**: ```c #include <semaphore.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <unistd.h> #define MAX_ITEMS 5 int count = 0; sem_t empty, full; void* producer(void* arg) { while (1) { sem_wait(&empty); // 减少空位 count++; printf("Produced item. Count = %d\n", count); sem_post(&full); // 增加满位 sleep(1); } return NULL; } void* consumer(void* arg) { while (1) { sem_wait(&full); // 减少满位 count--; printf("Consumed item. Count = %d\n", count); sem_post(&empty); // 增加空位 sleep(1); } return NULL; } int main() { pthread_t prod, cons; sem_init(&empty, 0, MAX_ITEMS); sem_init(&full, 0, 0); pthread_create(&prod, NULL, producer, NULL); pthread_create(&cons, NULL, consumer, NULL); pthread_join(prod, NULL); pthread_join(cons, NULL); sem_destroy(&empty); sem_destroy(&full); return 0; } ``` --- ### 总结 | 方式 | 是否需要互斥锁 | 说明 | |------|----------------|------| | `pthread_cond_wait` | ✅ 必须使用 | 必须与互斥锁配合,保证同步安全 | | `semaphore` | ❌ 不需要 | 可以用于同步,但不提供对共享状态的保护 | | `atomic` | ❌ 不需要 | 适用于简单的共享状态(如计数器) | --- ###
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