MMKV的原理与实现（三）
MMKV的原理与实现（三）
MMKV多线程设计
1. C/C++中的线程：POSIX线程
POSIX，全称为可移植性操作系统接口。它包括了系统应用程序接口（简称API）。该标准的目的是定义了标准的基于UNIX操作系统的系统接口和环境来支持源代码级的可移植性，致力于提供基于不同语言的规范。POSIX的线程标准，定义了创建和操纵线程的一套API。
2. 基本使用
#include
#include
#include
void *run(void* args) {
//异步方法
int i = *(int*)i; // 10
cout << "i === " << i << endl;
return nullptr;
}
int main() {
int i = 10;
pthread_t pid;
pthread_create(&pid, nullptr, run, &i);
pthread_join(pid, nullptr);
return 0;
}
上面运行会将10打印出来，pthread_create中有4个参数：
- pid， 线程id，传入pthread_t类型的地址引用
- attr， 这个是线程的类型，后面会详细讲到
- 相当于回调函数
- 将值传入到回调函数中
3.线程同步
同java一样，多线程同时读写同一份共享资源的时候，可能会引起冲突。需要引入线程“同步”机制，即各线程之间有序地对共享资源进行操作。
拿以下举例：
queue q;
void *pop(void *args) {
if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop();
} else {
printf("无数据\n");
}
return 0;
}
int main() {
for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
q.push(i);
}
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
}
return 0;
}
我们创建了5个队列，然后创建10个线程分别从队列里面取值，可以看到前3个线程都取了0，这就是线程不同步导致的问题，那么怎么解决呢？
互斥量
首先要了解一下互斥量（
pthread_mutex_t）的概念：互斥量就是一把锁。 当一个线程要访问一个共享变量时，先用锁把变量锁住，操作完了之后再释放掉锁。
当另一个线程也要访问这个变量时，发现这个变量被锁住了，此时无法访问，一直等待直到锁没了，才能够上锁与使用。
使用互斥量前要先初始化，使用的函数如下：
queue q;
pthread_mutex_t mutex; //加入互斥量：锁
void *pop(void *args) {
// 锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop();
} else {
printf("无数据\n");
}
// 放
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 0;
}
int main() {
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, 0);
for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
q.push(i);
}
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
}
//需要释放
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
在以上的例子中，我们加入互斥量，这样打印出来就正常了。但是pthread_mutex_t锁是默认是非递归的，即不可重入锁。如果一个线程多次获取同一个非递归锁，则会产生死锁：
（以下代码在win编辑器中可能不会报错，但是程序并不会正常结束）
queue q;
pthread_mutex_t mutex; //加入互斥量：
void test(){
pthread_mutex_lock(&mutex); //线程阻塞，死锁
printf("队列大小:%d\n", q.size());
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *pop(void *args) {
// 锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop();
} else {
printf("无数据\n");
}
// test中也锁了一下，这样就产生了死锁
test();
// 放
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 0;
}
int main() {
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, 0);
for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
q.push(i);
}
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
}
//需要释放
pthread_mutex_destroy(&mutex);
return 0;
}
pthread_mutex_init(&mutex, 0);
互斥量初始化有两个参数，如果要让互斥量成为一把可重入锁，需要在初始化的时候设置attr的类型：
// 锁的属性 : pthread_mutex_t锁默认是非递归的
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
// 设置为递归锁
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化mutex
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 完成初始化后即可释放
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
这样初始化test中的打印也就正常了。
4. 条件变量(干货，不感兴趣可跳过)
条件变量是线程间进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立",从而唤醒挂起线程
举个例子：
template
class SafeQueue {
public:
SafeQueue() {
pthread_mutex_init(&mutex,0);
}
~SafeQueue() {
pthread_mutex_destory(&mutex);
}
void enqueue(T t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
q.push(t);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
int dequeue(T& t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (!q.empty())
{
t = q.front();
q.pop();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 1;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 0;
}
private:
queue q;
pthread_mutex_t mutex;
};
上面的模板类存放数据T，并使用互斥锁保证对queue的操作是线程安全的。这就是一个生产/消费模式。如果需要在取出数据的时候，queue为空，则一直等待，直到下一次enqueue加入数据。此时可以加入条件变量使 “dequeue” 挂起,直到由其他地方唤醒：
#include
using namespace std;
template
class SafeQueue {
queue q;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond; //条件变量
public:
SafeQueue() {
pthread_mutex_init(&mutex,0);
pthread_cond_init(&cond, 0); //初始化
}
~SafeQueue() {
pthread_mutex_destory(&mutex);
pthread_cond_destory(&cond); //销毁
}
void enqueue(T t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
q.push(t);
//发出信号 通知挂起线程
//1、由系统唤醒一个线程（随机）
//pthread_cond_signal(&cond);
//2、广播 唤醒所有等待条件线程
pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
int dequeue(T& t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
//可能因为某些特殊条件虚假唤醒 所以while循环等待唤醒。（与Java的wait一样）
while (q.empty())
{
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //等待并自动释放互斥锁
}
t = q.front();
q.pop();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 1;
}
};
比如存在三个线程，分别为：生产者P、消费者C1与C2。
1、C1从队列中取出数据，此时队列为空；
2、C2也想从队列中获取一个元素，但此时队列为空，C2进入阻塞(cond.wait())，等待队列非空；
3、 P将一个元素入队，并唤醒条件变量；
4、C1与C2接收到唤醒信号，解除阻塞状态，上锁并获取队列中的元素;
5、C2优先获取到锁，移除队列元素并释放锁；
6、C1此时操作的队列为空，被虚假唤醒。
5. 锁的自动管理
每次创建一个线程时，都需要初始化（init）和销毁（destroy）， 使用时也需要锁（lock）和解锁（unlock）。为了防止忘记手动销毁和解锁，同时方便使用，MMKV利用了C++中对象的构造函数和析构函数进行了封装，实现锁的自动管理。
这里我们看一下源码： ThreadLock.cpp
#include "ThreadLock.h"
#include "MMKVLog.h"
ThreadLock::ThreadLock() {
// 创建一把递归锁
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&m_lock, &attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}
ThreadLock::~ThreadLock() {
pthread_mutex_destroy(&m_lock);
}
void ThreadLock::lock() {
auto ret = pthread_mutex_lock(&m_lock);
if (ret != 0) {
// 失败
MMKVError("fail to lock %p, ret=%d, errno=%s", &m_lock, ret, strerror(errno));
}
}
bool ThreadLock::try_lock() {
auto ret = pthread_mutex_trylock(&m_lock);
if (ret != 0) {
MMKVError("fail to try lock %p, ret=%d, errno=%s", &m_lock, ret, strerror(errno));
}
return (ret == 0);
}
void ThreadLock::unlock() {
auto ret = pthread_mutex_unlock(&m_lock);
if (ret != 0) {
MMKVError("fail to unlock %p, ret=%d, errno=%s", &m_lock, ret, strerror(errno));
}
}
这个类只是对锁进行了封装，使用的时候还需要手动调用lock()和unlock()方法。我们是不是可以把这一步也省略掉呢？当然可以，我们来对这把锁进行二次封装：
ScopedLock.cpp源码
#ifndef MMKV_SCOPEDLOCK_HPP
#define MMKV_SCOPEDLOCK_HPP
#include "MMKVLog.h"
template
class ScopedLock {
T *m_lock;
// just forbid it for possibly misuse
ScopedLock(const ScopedLock &other) = delete;
ScopedLock &operator=(const ScopedLock &other) = delete;
public:
// 构造方法中上锁
ScopedLock(T *oLock) : m_lock(oLock) {
assert(m_lock);
lock();
}
// 析构方法解除锁
~ScopedLock() {
unlock();
m_lock = nullptr;
}
void lock() {
if (m_lock) {
m_lock->lock();
}
}
bool try_lock() {
if (m_lock) {
return m_lock->try_lock();
}
return false;
}
void unlock() {
if (m_lock) {
m_lock->unlock();
}
}
};
//宏函数 __COUNTER__：初始值为0，编译单元内每出现一次出现该宏,便会加1。
#define SCOPEDLOCK(lock) _SCOPEDLOCK(lock, __COUNTER__)
#define _SCOPEDLOCK(lock, counter) __SCOPEDLOCK(lock, counter)
#define __SCOPEDLOCK(lock, counter) ScopedLock __scopedLock##counter(&lock)
//#include
//#define __SCOPEDLOCK(lock, counter)
//decltype：推断变量类型；__scopedLock##counter(&lock)：##为连接符ScopedLock::type> __scopedLock##counter(lock)
#endif //MMKV_SCOPEDLOCK_HPP
可以看到，这个类在构造方法中上锁，析构方法中解锁，使用的时候只需要初始化这个类就可以了，函数调用完成之后，会自动调用这个类的析构函数，这样就完成了自动上锁 和解锁的操作。
为了更加方便，下面定义了一系列的宏函数，最终会调用到ScopedLock这个方法。具体可以看下注释。
使用的时候直接调用SCOPEDLOCK()宏函数即可
//使用
ThreadLock lock;
void test(){
//创建 ScopedLock __scopedLock1对象，使用lock上锁
SCOPEDLOCK(lock);
//退出方法 执行__scopedLock1析构，解锁lock
}
这样自动推导lock的类型并自动lock和unlock。我们在MMKV的源码中也可以找到大量这样的语句：
不得不说C++还真是博大精深呐！ 这一篇多线程的处理方案就到此为止了。那么，MMKV的跨进程是如何实现的？
MMKV多进程设计
1. 文件锁
和多线程一个道理，在多个进程同时操作同一份文件的过程中，很容易导致文件中的数据混乱，需要锁操作来保证数据的完整性。 在最新版本的MMKV中使用flock文件锁来完成多进程操作文件的同步
#include
// Returns 0 on success, or -1 on error
int flock (int fd, int operation);
flock()系统调用是在整个文件中加锁，通过对传入的fd所指向的文件进行操作，然后在通过operation参数所设置
的值来确定做什么样的操作。operation可以赋如下值:
-
LOCK_SH，共享锁，多个进程可以使用同一把锁：读锁；
-
LOCK_EX，排他锁，同时只允许一个进程使用：写锁；
-
LOCK_UN，释放锁
-
LOCK_BN，发起非阻塞请求，如：LOCK_SH|LOCK_BN。
任意数量的进程可同时持有一个文件上的共享锁（读锁），但只能有一个进程能够持有一个文件上的互斥锁(写
锁)。flock支持锁升级：只有自己进程存在读锁，可以直接升级为写锁，在转换的过程中首先会删除既有的锁，然
后创建新锁 。若其他进程存在读锁，需要等待释放读锁；
在设计MMKV中的文件锁需要实现：
以下内容可见官方文档，比较详细，这里把重要 的知识点罗列出来，具体细节可以去深究以下：
https://github.com/Tencent/MMKV/wiki/android_ipc
-
递归锁
意思是如果一个进程/线程已经拥有了锁，那么后续的加锁操作不会导致卡死，并且解锁也不会导致外层的锁
被解掉。对于文件锁来说，前者是满足的，后者则不然。因为文件锁是状态锁，没有计数器，无论加了多少
次锁，一个解锁操作就全解掉。只要用到子函数，就非常需要递归锁。 -
锁升级/降级
锁升级是指将已经持有的共享锁，升级为互斥锁，亦即将读锁升级为写锁；锁降级则是反过来。文件锁支持
锁升级，但是容易死锁：假如 A、B 进程都持有了读锁，现在都想升级到写锁，就会陷入相互等待的困境，产生死锁。另外，由于文件锁不支持递归锁，也导致了锁降级无法进行，一降就降到没有锁。
为了解决这两个难题，需要对文件锁进行封装，增加读锁、写锁计数器。
- 加写锁时，如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁（try_lock ），try_lock 失败说明其他进程持有了读
锁，我们需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以避免死锁的发生。 - 解写锁时，假如之前曾经持有读锁，那么我们不能直接释放掉写锁，这样会导致读锁也解了。我们应该加一
个读锁，将锁降级。
对于读写锁的计数器，我们来看一下官方文档的图：
| 读锁计数器 | 写锁计数器 | 加读锁 | 加写锁 | 解读锁 | 解写锁 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 加读锁 | 加写锁 | - | - |
| 0 | 1 | +1 | +1 | - | 解写锁 |
| 0 | N | +1 | +1 | - | -1 |
| 1 | 0 | +1 | 解读锁再加写锁 | 解读锁 | - |
| 1 | 1 | +1 | +1 | -1 | 加读锁 |
| 1 | N | +1 | +1 | -1 | -1 |
| N | 0 | +1 | 解读锁再加写锁 | -1 | - |
| N | 1 | +1 | +1 | -1 | 加读锁 |
| N | N | +1 | +1 | -1 | -1 |
需要注意的地方有两点：
- 加写锁时，如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁，try_lock 失败说明其他进程持有了读锁，我们需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以避免死锁的发生。
- 解写锁时，假如之前曾经持有读锁，那么我们不能直接释放掉写锁，这样会导致读锁也解了。我们应该加一个读锁，将锁降级。
2. MMKV源码解读
基于以上原理，封装flock文件锁C++类为：
#ifndef MMKV_INTERPROCESSLOCK_H
#define MMKV_INTERPROCESSLOCK_H
#include
#include
enum LockType {
SharedLockType,
ExclusiveLockType,
};
// a recursive POSIX file-lock wrapper
// handles lock upgrade & downgrade correctly
class FileLock {
// 文件句柄
int m_fd;
// 读锁计数器
size_t m_sharedLockCount;
// 解锁计数器
size_t m_exclusiveLockCount;
bool doLock(LockType lockType, bool wait);
bool isFileLockValid() { return m_fd >= 0; }
// just forbid it for possibly misuse
FileLock(const FileLock &other) = delete;
FileLock &operator=(const FileLock &other) = delete;
public:
FileLock(int fd) : m_fd(fd), m_sharedLockCount(0), m_exclusiveLockCount(0) {}
bool lock(LockType lockType);
bool try_lock(LockType lockType);
bool unlock(LockType lockType);
};
class InterProcessLock {
FileLock *m_fileLock;
LockType m_lockType;
public:
InterProcessLock(FileLock *fileLock, LockType lockType)
: m_fileLock(fileLock), m_lockType(lockType), m_enable(true) {
assert(m_fileLock);
}
bool m_enable;
void lock() {
if (m_enable) {
m_fileLock->lock(m_lockType);
}
}
bool try_lock() {
if (m_enable) {
return m_fileLock->try_lock(m_lockType);
}
return false;
}
void unlock() {
if (m_enable) {
m_fileLock->unlock(m_lockType);
}
}
};
#endif //MMKV_INTERPROCESSLOCK_H
在实现中，关键点再于读写计数器的操作，加锁：
bool FileLock::doLock(LockType lockType, bool wait) {
if (!isFileLockValid()) {
return false;
}
bool unLockFirstIfNeeded = false;
// 读锁
if (lockType == SharedLockType) {
m_sharedLockCount++;
// 以下两个判断：如果本进程之前被上过读锁或者写锁 还未释放，那么不再加读锁
if (m_sharedLockCount > 1 || m_exclusiveLockCount > 0) {
return true;
}
} else {
m_exclusiveLockCount++;
// 如果本进程之前上过写锁还未释放
if (m_exclusiveLockCount > 1) {
return true;
}
// 如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁，
// try_lock 失败说明其他进程持有了读锁，需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以免其他进 程也在请求加写锁造成死锁
if (m_sharedLockCount > 0) {
unLockFirstIfNeeded = true;
}
}
int realLockType = LockType2FlockType(lockType);
// LOCK_NB： 不阻塞
int cmd = wait ? realLockType : (realLockType | LOCK_NB);
if (unLockFirstIfNeeded) {
// // try lock，这里肯定就是 LOCK_EX|LOCK_NB ，
auto ret = flock(m_fd, realLockType | LOCK_NB);
if (ret == 0) { //加锁成功
return true;
}
// 加锁失败, 先把自己的读锁释放
ret = flock(m_fd, LOCK_UN);
if (ret != 0) {
MMKVError("fail to try unlock first fd=%d, ret=%d, error:%s", m_fd, ret,
strerror(errno));
}
}
//加锁lock方法都是阻塞
auto ret = flock(m_fd, cmd);
if (ret != 0) {
MMKVError("fail to lock fd=%d, ret=%d, error:%s", m_fd, ret, strerror(errno));
return false;
} else {
return true;
}
}
解锁：
bool FileLock::unlock(LockType lockType) {
if (!isFileLockValid()) {
return false;
}
bool unlockToSharedLock = false;
//读锁
if (lockType == SharedLockType) {
if (m_sharedLockCount == 0) {
//如果一个锁都没有，还解什么，失败
return false;
}
m_sharedLockCount--;
// don't want shared-lock to break any existing locks
// 还存在读锁（读锁计数器不为0）或者还存在写锁，不执行解锁
if (m_sharedLockCount > 0 || m_exclusiveLockCount > 0) {
//本次解锁完成
return true;
}
} else {
//写锁计数器为0，不操作
if (m_exclusiveLockCount == 0) {
return false;
}
//写锁计数器-1，不为0，同样不操作
m_exclusiveLockCount--;
if (m_exclusiveLockCount > 0) {
return true;
}
// restore shared-lock when all exclusive-locks are done
//到这一步表示无写锁了（写锁计数器为0）
// 同时还存在读锁，不能解锁，需要降级写锁为读锁
if (m_sharedLockCount > 0) {
unlockToSharedLock = true;
}
}
//是否降级
int cmd = unlockToSharedLock ? LOCK_SH : LOCK_UN;
auto ret = flock(m_fd, cmd);
if (ret != 0) {
MMKVError("fail to unlock fd=%d, ret=%d, error:%s", m_fd, ret, strerror(errno));
return false;
} else {
return true;
}
}
上面加锁和解锁的步骤，具体细节都在注释里面了，大家可以看看。
多进程的讲解官方文档比较详细，这里再把官方地址贴一下，这里大家只需要了解加锁和解锁的步骤就完全oK
了。
https://github.com/Tencent/MMKV/wiki/android_ipc