一步一步实现读写锁
多线程编程中，需要对共享变量进行加锁。但是频繁地加锁，会对程序效率有很大影响。在某些读多写少的场景下，多个线程进行读数据时，如果都加互斥锁，这显然是不必须的。于是读写锁便应运而生。
读写锁的加锁规则：
1 如果没有加写锁时，那么多个线程可以同时加读锁；如果有加写锁时，不可以加读锁
2 不管是加了读锁还是写锁，都不能继续加写锁。
满足这两个条件，便可以初步实现一个读写锁。我们用两个锁，一个变量，实现一个简单的读写锁，代码如下
class rwlock
{
public:
rwlock(): read_cnt(0)
{
pthread_mutex_init(&read_mtx,NULL);
pthread_mutex_init(&write_mtx,NULL);
}
~ rwlock()
{
pthread_mutex_destroy(&read_mtx);
pthread_mutex_destroy(&write_mtx);
}
void readLock()
{
pthread_mutex_lock(&read_mtx);
if (++read_cnt == 1)
pthread_mutex_lock(&write_mtx);
pthread_mutex_unlock(&read_mtx);
}
void readUnlock()
{
pthread_mutex_lock(&read_mtx);
if (--read_cnt == 0)
pthread_mutex_unlock(&write_mtx);
pthread_mutex_unlock(&read_mtx);
}
void writeLock()
{
pthread_mutex_lock(&write_mtx);
}
void writeUnlock()
{
pthread_mutex_unlock(&write_mtx);
}
private:
pthread_mutex_t read_mtx;
pthread_mutex_t write_mtx;
int read_cnt; // 读锁个数
};
首先，在加读锁时，判断读者数量，如果为1，说明自己是第一个读者，这时要加写锁。如果没有写者，加锁成功。如果有写者，那么需要等待写锁释放。
其次，加写锁时，就是直接锁write_mtx,如果没有其他任何读者或者写者，加锁成功；否则就等待write_mtx被释放。
这种实现方法简单明了，但是存在一个问题。当读写锁被读者占有时，这时来了写者需要等待读锁释放，如果又来了读锁却可以加锁成功。这样就可能导致，写锁很难获取，读锁一直无法释放。实际应用中，我们并不期望如此，因为这有可能导致数据不能及时更新，读取的数据是过期的。很明显，写锁的优先级应该高于读锁。那么如何实现这样的读写锁呢？
那么在读写锁的数据结构中，应该需要两个变量，来表示在等待的读者和写者的数量。首先给出读写锁的定义
class rwlock
{
public:
rwlock();
~rwlock();
void readlock();
void writelock();
void unlock();
int tryreadlock();
int trywritelock();
private:
pthread_mutex_t rwmutex;
int refcount; // -1表示有写者，0表示没有加锁，正数表示有多少个读者
int readwaiters;
int writewaiters;
pthread_cond_t readcond;
pthread_cond_t writecond;
};
实现如下:
1.构造函数，负责初始化变量
rwlock::rwlock()
{
refcount = 0;
readwaiters = 0;
writewaiters = 0;
pthread_mutex_init(&rwmutex,NULL);
pthread_cond_init(&readcond, NULL);
pthread_cond_init(&writecond, NULL);
}
2 析构函数，销毁资源
rwlock::~rwlock()
{
refcount = 0;
readwaiters = 0;
writewaiters = 0;
pthread_mutex_destroy(&rwmutex);
pthread_cond_destroy(&readcond);
pthread_cond_destroy(&writecond);
}
3 加读锁
void rwlock::readlock()
{
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
while(refcount < 0)
{
readwaiters++;
pthread_cond_wait(&readcond,&rwmutex);
readwaiters--;
}
refcount++;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}
首先，对rwmutex加锁，主要是为了读区refcount变量。然后在while循环中，等待读信号量。这里要注意的是，while不能用if来判断。我们可能会认为，在readcond有信号时，说明写者已经释放了写锁，这时refcount必然会等于0，没必要用while循环。但是，请注意，pthread_cond_wait这个函数的执行过程。首先，它会释放锁rwmutex,然后等待readcond有信号，最后获得信号量时，再对rwmutex加锁。这样就会存在一种情况，在readcond获得信号之后，还没来得及对rwmutex进行加锁，另外一个线程这时来获取写锁，很显然它可以获取到，refcount变成了-1。如果不对refcount进行判断就会出错。
4 加写锁
void rwlock::writelock()
{
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
while(refcount != 0)
{
writewaiters++;
pthread_cond_wait(&writecond,&rwmutex);
writewaiters--;
}
refcount = -1;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}
注意点和读锁一样，都是要while循环，不再重复
5释放锁
void rwlock::unlock()
{
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
if(refcount == -1)
refcount = 0;
else
refcount--;
if(refcount == 0)
{
if(writewaiters > 0)
pthread_cond_signal(&writecond);
else if(readwaiters > 0)
pthread_cond_broadcast(&readcond);
}
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
}
解锁时，如果recount==0,说明已经没有任何人再使用读写锁，那么首先判断是否有写锁等待，如果是，置writecond有信号。如果没有写者，只有读者，那么对readcond信号量进行广播。
到这里，读写锁的功能就介绍完了。但是注意上面的加锁接口都是阻塞的，我们接着介绍非阻塞的加锁接口
6 非阻塞读锁
int rwlock::tryreadlock()
{
int ret = 0;
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
if(refcount < 0 || writewaiters > 0)
{
ret = -1;
}
else
refcount++;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
return ret;
}
7 非阻塞写锁
int rwlock::trywritelock()
{
int ret = 0;
pthread_mutex_lock(&rwmutex);
if(refcount != 0 )
{
ret = -1;
}
else
refcount = -1;
pthread_mutex_unlock(&rwmutex);
return ret;
}
非阻塞接口相对比阻塞接口简单，这里就不再重复讲述了。
总结：本文详细介绍了读写锁的功能，以及实现方法。实现都是基于posix接口，适用于所有类unix系统。至于windows系统，可参考这篇博文
