Linux自旋锁和读写锁

        在前面的文章中我们已经介绍了有关互斥锁的概念与使用，本篇将开始介绍在 Linux 中的自旋锁和读写锁。这三种锁分别用于在不同的应用场景之中，其中互斥锁最为常用，但是我们需要了解一下其他的锁。

        对于自旋锁和读写锁都介绍了其原理以及接口使用，并且给出了样例代码。

目录

自旋锁

1. 自选锁概念和原理

2. 自旋锁的优缺点与接口使用

3. 自旋锁使用样例代码

读写锁

1. 读者写者模型 vs 生产消费模型

2. 读写锁伪代码和读写锁函数接口

3. 读者优先和写者有限

4. 读写锁使用样例代码

自旋锁

        在使用互斥锁对我们的临界资源上锁时，当其他线程抢不到锁，则会在系统调用中阻塞起来（操作系统将线程的 tcb 放入到等待队列中），等到抢到锁之后又会将线程唤醒（将线程的 tcb 从等待队列中放入到运行队列中）。但是假若在临界区运行的时间还没有将线程挂起等待的时间长，那么还不如让线程不断的轮询访问我们的锁，不将线程挂起等待，当锁一但释放就可以立即的获取到锁。

        自旋锁的应用中应用层中使用的非常少，但是在操作系统层面使用得很多，因为操作系统不会轻易的将自己挂起等待，所以对于某些资源需要等到访问的时候，通常都是轮询等待。

1. 自选锁概念和原理

        自旋锁概念：一种多线程同步机制，用于保护共享资源免受并发访问的影响。在多个线程尝试获取到锁时，它们会持续旋转（在循环中不断的检查锁是否可用）而不是立即进入休眠状态等待锁的释放。这种机制减少了线程切换的开销（因为假若是阻塞等待则会将线程挂起然后切换，而轮询则是在时间片内一直访问），适用于短时间内锁竞争的情况。但是假若不合理的使用（在临界区的运行时间较长），则会导致 CPU 的浪费。

        原理：自旋锁通常使用一个共享的标志位来表示锁的状态。当标志位为 true 时，表示锁已被某个线程占用；当标志位为 false 的时候，表示锁可用。当一个线程尝试获取自旋锁的时候，会不断的检查标志位。：

        1. 若标志位为 false，表示锁可以使用，线程将标志位设置为 true，表示占用了锁，然后进入到临界区中执行代码；        

        2. 若标志位为 true，表示锁已经被其他先占用，线程会在一个循环中不断自旋等待，直到锁被释放。

        对于自旋锁代码实现的伪代码如下：

typedef _Atomic struct
{
#if __GCC_ATOMIC_TEST_AND_SET_TRUEVAL == 1
_Bool __val;
#else
unsigned char __val;
#endif
} atomic_flag;// ATOMIC_FLAG_INIT 值为0
atomic_flag spinlock = ATOMIC_FLAG_INIT;// 尝试获取锁
void spinlock_lock() {// 没有获取到锁则一直运行，返回值为true// 获取到锁，返回值为false，跳出循环等待while (atomic_flag_test_and_set(&spinlock)) {// 如果锁被占用，则忙等待}
}// 释放锁
void spinlock_unlock() {atomic_flag_clear(&spinlock);
}atomic_flag_test_and_set 函数检查 atomic_flag 的当前状态。如果
atomic_flag 之前没有被设置过（即其值为 false 或“未设置”状态），则函数会将其
设置为 true（或“设置”状态），并返回先前的值（在这种情况下为 false）。如果
atomic_flag 之前已经被设置过（即其值为 true），则函数不会改变其状态，但会
返回 true。

        对于以上伪代码的实现，特别是对 atomic_flag 的操作一定得是原子的，这样才能保证 atomic_flag 的读取和修改在多线程环境中是不可分割的，同时这样保证了线程安全的问题。

2. 自旋锁的优缺点与接口使用

        优点：

        1. 低延迟：自旋锁适用于短时间内的锁竞争情况，因为他不会让线程进入休眠状态，从而避免了线程切换的开销，提高了锁操作的效率。

        2. 减少系统调度开销：等待锁的线程不会被阻塞，不需要切换上下文，减少了系统调度的开销。

        缺点：

        1. CPU 资源的浪费：若锁持有的时间较长，等到获取线程的线程会一直循环等待，导致 CPU 资源的浪费。

        2. 可能引起活锁：当多个线程同时自旋等待同一个锁的时候，若没有适当的退避政策，可能会导致所有线程都在不断检查锁的状态，从而无法进入临界区，形成活锁。

        所以对于自旋锁，常用于短暂等待的情况和多线程锁的使用（通常用于底层，同步多个 CPU 对共享资源的访问）。

        自旋锁常用接口的使用：

pthread_spinlock_t // 自旋锁类型int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
// 抢不到锁一直等待
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
// 抢不到锁直接返回
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
// 解锁int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
// 初始化，第二个参数通常设置为0
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
// 销毁

3. 自旋锁使用样例代码

        使用自旋锁实现一个抢票逻辑的代码，如下：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>pthread_spinlock_t lock;
int tickets = 1000;void* Routine(void* args) {const char* name = static_cast<const char*>(args);while (true) {pthread_spin_lock(&lock);if (tickets > 0) {usleep(1000); // 表示抢票时间std::cout << name << " get a ticket, the remaining tickets are: " << tickets << std::endl;tickets--;pthread_spin_unlock(&lock);} else {pthread_spin_unlock(&lock);break;}}return nullptr;
}int main() {pthread_spin_init(&lock, 0);pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1, nullptr, Routine, (void*)"thread-1");pthread_create(&t2, nullptr, Routine, (void*)"thread-1");pthread_create(&t3, nullptr, Routine, (void*)"thread-1");pthread_create(&t4, nullptr, Routine, (void*)"thread-1");pthread_join(t1, nullptr);pthread_join(t2, nullptr);pthread_join(t3, nullptr);pthread_join(t4, nullptr);pthread_spin_destroy(&lock);return 0;
}

        测试结果如下：

读写锁

        在编写多线程代码的时候，也会出现公共数据修改的机会较少的情况，也就是对于写入的数据，很少将其修改，既然不怎么修改，那么在读出数据的时候，也就是说我们根本就不需要加锁，不加锁多线程就可以并行运行。

1. 读者写者模型 vs 生产消费模型

        在读者写者模型中和生产消费模型中的，存在什么区别呢？

        其实读者写者模式和生产消费模型，都遵守321原则：三种关系、两个对象、一个场所（对于生产消费模型，在前文中已经介绍过，这里主要介绍读者写者模型）。

        在读者写者模型中：三种关系为：读者和读者、写者和写者、读者和写者；

        两个对象：读者和写者。

        一个场所：可以是一段内存空间、也可以是某种数据结构。

        让而在三种关系中，写者和写者的关系为互斥，一个时刻只能由一个线程写入信息，防止信息被覆盖，写者和读者的关系为互斥和同步关系，写的时候不能读，读的时候不可以写，但是当读完也需要通知写者来写，写完也需要通知读者来读；而对于读者和读者的关系则不同，读者和读者之间可以共享信息，可以一起读信息，互不干扰，所以读者和读者的关系为没有关系。

        既然读者和读者之间没有关系，也就是说明在读消息的时候我们不需要加锁。

2. 读写锁伪代码和读写锁函数接口

        一下为一个读写锁的伪代码，如下：

        对于 Reader而言：

// 加锁
lock(count_lock);
// 当第一个读者进来的时候，要将写者锁住
if(reader_count == 0)lock(writer_lock);
++reader_count;
unlock(count_lock);//解锁
lock(count_lock);
--reader_count;
// 当是最后一个读者离开的时候，将写者唤醒，让写者写入信息
if(reader_count == 0)unlock(writer_lock);
unlock(count_lock);

        对于 Writer 而言：

lock(writer_lock);
// write
unlock(writer_lock);

        对于读写锁的函数接口如下：

// 读写锁变量类型
pthread_rwlock_t// 初始化
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);// 销毁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock)// 加锁和解锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 读者加锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 写者加锁int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 解锁通用设置读写优先策略函数：
int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);
pref的三种取值：
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP (默认设置) 读者优先，可能会导致写者饥
饿情况
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和 PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递
归加锁

3. 读者优先和写者有限

        读者优先：

        在这种策略中，系统会尽可能多地允许多个读者同时访问资源，而不会优先考虑写者。这意味着当有读者正在读取时，新达到的读者会立即被运行进入到读取区，而写者会被阻塞，直到所有读者都离开读取区。读者优先策略可能会导致写者饥饿（写者长时间不能获取权限进入），特别是当读者频繁到达时。

        写者优先：

        在这种策略中，系统会优先考虑写者，当写者请求写入权限时，系统会尽可能地让写者进入写入区，即使此时有读者正在读取。意味着一旦有写者到达，所有后续的读者都会被阻塞，直到写者完成写入并离开写入区。写者优先策略可以减少写者等待的时间，但是会导致读者饥饿问题特别是写者频繁到达。

4. 读写锁使用样例代码

        如下，我们使用读写锁给出一个代码样例：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <ctime>
#include <cstdlib>// 共享资源
int shared_data = 0;// 读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;void* Reader(void* args) {// sleep(2); // 读者优先，一旦读者进入，写者就很难进入了const char* name = static_cast<const char*>(args);while (true) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);std::cout << name << " is reading the shared data, the data is " << shared_data << std::endl;sleep(1); // 模拟读花的时间pthread_rwlock_unlock(&rwlock);}return nullptr;
}void* Writer(void* args) {const char* name = static_cast<const char*>(args);while (true) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);shared_data = rand() % 100;std::cout << name << " is writing the shared data, the data is " << shared_data << std::endl; sleep(1); // 模拟写花的时间pthread_rwlock_unlock(&rwlock);}return nullptr;
}int main() {srand(time(nullptr) ^ getpid());pthread_rwlock_init(&rwlock, nullptr);const int reader_num = 2;const int writer_num = 2;const int total = reader_num + writer_num;pthread_t threads[total]; // 创建读线程for (int i = 0; i < reader_num; i++) {char* buff = new char[128];snprintf(buff, 128, "reader-%d", i + 1);pthread_create(&threads[i], nullptr, Reader, (void*)buff);}// 创建写线程for (int i = reader_num; i < total; i++) {char* buff = new char[128];snprintf(buff, 128, "writer-%d", i + 1);pthread_create(&threads[i], nullptr, Writer, (void*)buff);}for (int i = 0; i < total; i++) {pthread_join(threads[i], nullptr);}pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
}

        测试结果如下：

        对于如上代码，特别容易出现读者优先，可以通过调整写者的数量和读者进入的时间来调整为写者优先