C/C++多线程编程： 读写锁

一、读写锁

1.介绍

        读写锁（ReadWrite Locks，也称为共享-互斥锁）是一个用于同步访问的机制，允许多个读取者同时访问同一资源，但在任何时候只允许一个写入者。这通常用于数据结构（如列表、数组或散列表）的并发访问，其中读取操作比写入操作频繁得多。

        在 POSIX 线程（Pthreads）库中，你可以使用 pthread_rwlock_t 类型的变量表示读写锁，使用 pthread_rwlock_init 来初始化或者PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER初始化静态的锁，pthread_rwlock_destroy 来销毁。以下是一些基本的操作：

• pthread_rwlock_rdlock：获取读锁。如果有其他线程持有写锁，或者有其他线程正在等待获取写锁，那么这个函数会阻塞，直到可以安全地获取读锁为止。

• pthread_rwlock_wrlock：获取写锁。如果有其他线程持有读锁或写锁，那么这个函数会阻塞，直到可以安全地获取写锁为止。

• pthread_rwlock_unlock：释放读锁或写锁。

#include 
​
pthread_rwlock_t lock;
​
void read_data() {
    pthread_rwlock_rdlock(&lock);
    // 读取数据的代码
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
}
​
void write_data() {
    pthread_rwlock_wrlock(&lock);
    // 写入数据的代码
    pthread_rwlock_unlock(&lock);
}

        在这个例子中，read_data 函数获取读锁，然后读取数据，最后释放锁。write_data 函数获取写锁，写入数据，然后释放锁。使用读写锁可以使多个读取者并行访问数据，但在写入数据时，仍然只有一个写入者可以访问数据，确保数据的一致性。

2.函数原型

创建读写锁：

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                        const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

参数：

• pthread_rwlock_t *restrict rwlock：指向将被初始化的读写锁的指针。

• const pthread_rwlockattr_t *restrict attr：指向读写锁属性对象的指针，该对象可以用于设置读写锁的属性。如果传入 NULL，则使用默认的属性。

        返回值：如果成功，返回 0；否则，返回一个错误码。

销毁读写锁：

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数：

• pthread_rwlock_t *rwlock：指向需要销毁的读写锁的指针。

返回值：如果成功，返回 0；否则，返回一个错误码。

使用读写锁：

获取读锁：

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数：

• pthread_rwlock_t *rwlock：指向需要获取读锁的读写锁的指针。

返回值：如果成功，返回 0；否则，返回一个错误码。

获取写锁：

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数：

• pthread_rwlock_t *rwlock：指向需要获取写锁的读写锁的指针。

返回值：如果成功，返回 0；否则，返回一个错误码。

解锁：

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数：

• pthread_rwlock_t *rwlock：指向需要解锁的读写锁的指针。

返回值：如果成功，返回 0；否则，返回一个错误码。

        需要注意的是，任何成功地调用了 pthread_rwlock_rdlock 或 pthread_rwlock_wrlock 的线程都必须在不需要锁的时候调用 pthread_rwlock_unlock。如果同一个线程多次调用 pthread_rwlock_rdlock 或 pthread_rwlock_wrlock，就可能会导致死锁。此外，试图解锁一个已经被其他线程持有的锁，或者未被任何线程持有的锁，都是未定义的行为。

3.例子

#include 
#include 
​
#define NUM_READER_THREADS 5
​
pthread_rwlock_t rwlock;
int counter = 0; // 共享资源
​
void *reader(void *arg) {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
    printf("Reader: counter = %d\n", counter);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    return NULL;
}
​
void *writer(void *arg) {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
    counter++;
    printf("Writer: counter = %d\n", counter);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
    return NULL;
}
​
int main() {
    pthread_t reader_threads[NUM_READER_THREADS], writer_thread;
​
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
​
    pthread_create(&writer_thread, NULL, writer, NULL);
    for (int i = 0; i < NUM_READER_THREADS; i++) {
        pthread_create(&reader_threads[i], NULL, reader, NULL);
    }
​
    pthread_join(writer_thread, NULL);
    for (int i = 0; i < NUM_READER_THREADS; i++) {
        pthread_join(reader_threads[i], NULL);
    }
​
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
​
    return 0;
}

        需要注意对于线程相关代码的编译需要链接上posix线程库：gcc xxx.c -lpthread         -l是链接选项，pthread是库名称，默认不添加空格也可以添加空格gcc xxx.c -l pthread

二、带超时机制的读写锁

1.介绍

POSIX 线程库提供了两个函数，用于带有超时机制的读写锁操作：

• pthread_rwlock_timedrdlock：尝试获取读锁，如果在指定的时间内无法获取，则返回超时错误。

• pthread_rwlock_timedwrlock：尝试获取写锁，如果在指定的时间内无法获取，则返回超时错误。

这两个函数的函数原型如下：

int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                               const struct timespec *restrict abs_timeout);

参数：

• pthread_rwlock_t *restrict rwlock：指向要获取读锁的读写锁的指针。

• const struct timespec *restrict abs_timeout：指向 timespec 结构的指针，该结构定义了一个绝对时间，用于指定超时的时间点。如果在这个时间点之前还不能获取读

• 锁，函数会返回一个超时错误。

返回值：如果成功，返回 0；否则，返回一个错误码。如果超时，返回 ETIMEDOUT。

int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
                               const struct timespec *restrict abs_timeout);

参数：

• pthread_rwlock_t *restrict rwlock：指向要获取写锁的读写锁的指针。

• const struct timespec *restrict abs_timeout：同上，用于指定超时的时间点。

返回值：同上。

        这两个函数都使用了 timespec 结构来表示超时的时间点，该结构有两个成员：tv_sec 和 tv_nsec，分别表示秒和纳秒。这个时间表示的是一个绝对时间，即从某个固定的时间点（如 Unix 纪元，1970 年 1 月 1 日）开始的时间。

        需要注意的是，pthread_rwlock_timedrdlock 和 pthread_rwlock_timedwrlock 这两个函数在 POSIX 标准中是可选的，因此，一些系统可能不支持这两个函数。你应该检查你的系统文档，看看这些函数是否可用。