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读写锁

十一月 01, 2023

读写锁是计算机程序的并发控制的一种同步机制，也称“共享-互斥锁”、多读者-单写者锁。[1]多读者锁，[2]，“push lock”[3]) 用于解决读写问题（英语：readers–writers problem）。读操作可并发重入，写操作是互斥的。这意味着多个线程可以同时读数据，但写数据时需要获得一个独占的锁。当写者写数据时，其它写者或读者需要等待，直到这个写者完成写操作。读写锁常见的用法是控制线程对内存中的某种数据结构的访问，这种数据结构不能被原子性地更新，并且在完成更新之前都是无效的。

读写锁通常用互斥锁、条件变量、信号量实现。

某些读写锁允许在读模式与写模式之间升降级。[1]

优先级策略 编辑

读写锁可以有不同的操作模式优先级：

  • 读操作优先锁：提供了最大并发性，但在锁竞争比较激烈的情况下，可能会导致写操作饥饿。这是由于只要还有一个读线程持锁，写线程就拿不到锁。多个读者可以立刻拿到锁，这意味着一个写者可能一直在等锁，期间新的读者一直可以拿到锁。极端情况下，写者线程可能会一直等锁，直到所有一开始就拿到锁的读者释放锁。读者的可以是弱优先级的，如前文所述，也可以是强优先级的，即只要写者释放锁，任何等待的读者总能先拿到。
  • 写操作优先锁：如果队列中有写者在等锁，则阻止任何新读者拿锁，来避免了写操作饥饿的问题。一旦所有已经开始的读操作完成，等待的写操作立即获得锁。[4]和读操作优先锁相比，写操作优先锁的不足在于在写者存在的情况下并发度低。内部实现需要两把互斥锁。[5]
  • 未指定优先级锁：不提供任何读/写的优先级保证。

实现 编辑

使用两把互斥锁 编辑

Michel Raynal（英语：Michel Raynal）使用两把互斥锁与一个整数计数器实现。计数器b跟踪被阻塞的读线程。互斥锁r保护b，供读者使用。互斥锁g (指"global")确保写操作互斥。伪代码：

Begin Read

  • Lock r.
  • Increment b.
  • If b = 1, lock g.
  • Unlock r.

End Read

  • Lock r.
  • Decrement b.
  • If b = 0, unlock g.
  • Unlock r.

Begin Write

  • Lock g.

End Write

  • Unlock g.

实现是读操作优先。[6]:76

使用条件变量与互斥锁 编辑

可使用条件变量c与普通的互斥锁m、整型计数器r（表示正在读的个数）与布尔标志w（表示正在写）来实现读写锁。

lock-for-read操作：[7][8][9]

  • Lock m (blocking).
  • While w:
  • Increment r.
  • Unlock m.

lock-for-write操作：[7][8][9]

  • Lock m (blocking).
  • While (w or r > 0):
    • wait c, m
  • Set w to true.
  • Unlock m.

lock-for-read与lock-for-write各自有自己的逆操作。unlock-for-read通过减量r并在r变为0时通知c。unlock-for-write设置w为false并通知c。[7][8][9]

程序语言支持 编辑

  • POSIX标准的pthread_rwlock_t与相关操作[10]
  • ReadWriteLock[11] 接口，ReentrantReadWriteLock[5]锁，从Java版本5开始
  • Microsoft System.Threading.ReaderWriterLockSlim锁，用于C#与.NET语言程序[12]
  • std::shared_mutex read/write锁在C++17[13]
  • boost::shared_mutex与boost::upgrade_mutex锁在Boost C++ Libraries[14]
  • sync.RWMutex在Go语言[15]
  • Phase fair reader–writer lock[16]
  • std::sync::RwLock，在Rust语言[17]
  • Poco::RWLock，在POCO C++ Libraries（英语：POCO C++ Libraries）
  • mse::recursive_shared_timed_mutex在SaferCPlusPlus库，是支持std::recursive_mutex（页面存档备份，存于互联网档案馆）的recursive ownership语义的std::shared_timed_mutex（页面存档备份，存于互联网档案馆）的一个实现
  • txrwlock.ReadersWriterDeferredLock，用于Twisted[18]

Windows操作系统 编辑

SRWLock，见Windows操作系统API，从Windows Vista开始.[19]

读写锁（Slim reader/writer，SRW， lock）用于进程内的线程间同步。 SRW既不是公平的也不是先进先出的。读写锁数据结构的内部实现就是一个指针。读写锁的性能较临界区有很大的提升，这是因为读写锁是基于原子操作，关键段是基于event内核对象的，从用户模式到内核模式的切换占用了大量的时钟周期。相关API：[20]

  • InitializeSRWLock：动态初始化SRW结构。也可以直接赋值SRWLOCK_INIT常量来静态初始化SRW结构。不需要显式析构。
  • AcquireSRWLockShared：获取共享读的SRW锁。
  • AcquireSRWLockExclusive：获取专享写的SRW锁。
  • TryAcquireSRWLockShared：试图获取共享读的SRW锁。
  • TryAcquireSRWLockExclusive：试图获取专享写的SRW锁。
  • ReleaseSRWLockShared：释放已经获取的共享读的SRW锁。
  • ReleaseSRWLockExclusive：释放已经获取的专享写的SRW锁。
  • SleepConditionVariableSRW：在已经获取SRW锁的前提下，原子操作：在指定条件变量上睡眠并释放SRW锁

可选 编辑

read-copy-update (RCU)算法是读写锁的一种替代实现。RCU对读操作是无等待。Linux内核实现了很少写操作的一种RCU叫做seqlock。

参见 编辑

注释 编辑

  1. ^ This is the standard "wait" operation on condition variables, which, among other actions, releases the mutex m.

参考文献 编辑

  1. ^ Hamilton, Doug. Suggestions for multiple-reader/single-writer lock?. Newsgroup: comp.os.ms-windows.nt.misc. 21 April 1995 [8 October 2010]. Usenet: hamilton.798430053@BIX.com. （原始内容于2012-11-09）. 
  2. ^ "Practical lock-freedom" （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Keir Fraser 2004
  3. ^ Push Locks – What are they?. Ntdebugging Blog. MSDN Blogs. 2009-09-02 [11 May 2017]. （原始内容于2017-10-07）. 
  4. ^ Stevens, W. Richard; Rago, Stephen A. Advanced Programming in the UNIX Environment. Addison-Wesley. 2013: 409. 
  5. ^ 5.0 5.1 java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock Java readers–writer lock implementation offers a "fair" mode
  6. ^ Raynal, Michel. Concurrent Programming: Algorithms, Principles, and Foundations. Springer. 2012. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 Herlihy, Maurice; Shavit, Nir. The Art of Multiprocessor Programming. Elsevier. 2012: 184–185. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Nichols, Bradford; Buttlar, Dick; Farrell, Jacqueline. PThreads Programming: A POSIX Standard for Better Multiprocessing. O'Reilly. 1996: 84–89. 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 Butenhof, David R. Programming with POSIX Threads. Addison-Wesley. 1997: 253–266. 
  10. ^ . The IEEE and The Open Group. [14 May 2011]. （原始内容存档于2010-12-09）. 
  11. ^ java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock
  12. ^ ReaderWriteLockSlim Class (System.Threading). Microsoft Corporation. [14 May 2011]. （原始内容于2017-07-16）. 
  13. ^ . Standard C++ Foundation. [2017-11-22]. （原始内容存档于2016-08-26）. 
  14. ^ Anthony Williams. Synchronization – Boost 1.52.0. [31 Jan 2012]. 
  15. ^ . [30 May 2015]. （原始内容存档于2018-01-03）. 
  16. ^ (PDF). [2017-11-22]. （原始内容 (PDF)存档于2017-08-10）. 
  17. ^ . [10 December 2015]. （原始内容存档于2019-07-17）. 
  18. ^ Readers/Writer Lock for Twisted. [28 September 2016]. 
  19. ^ Alessandrini, Victor. Shared Memory Application Programming: Concepts and Strategies in Multicore Application Programming. Morgan Kaufmann. 2015. 
  20. ^ MSDN: Slim Reader/Writer (SRW) Locks. [2017-11-23]. （原始内容于2015-04-16）. 

十一月 01, 2023
读写锁, 此條目需要精通或熟悉相关主题的编者参与及协助编辑, 2017年11月22日, 請邀請適合的人士改善本条目, 更多的細節與詳情請參见討論頁, 是计算机程序的并发控制的一种同步机制, 也称, 共享, 互斥锁, 多读者, 单写者锁, 多读者锁, push, lock, 用于解决读写问题, 英语, readers, writers, problem, 读操作可并发重入, 写操作是互斥的, 这意味着多个线程可以同时读数据, 但写数据时需要获得一个独占的锁, 当写者写数据时, 其它写者或读者需要等待, 直到这个写者完. 此條目需要精通或熟悉相关主题的编者参与及协助编辑 2017年11月22日 請邀請適合的人士改善本条目 更多的細節與詳情請參见討論頁 读写锁是计算机程序的并发控制的一种同步机制 也称 共享 互斥锁 多读者 单写者锁 1 多读者锁 2 push lock 3 用于解决读写问题 英语 readers writers problem 读操作可并发重入 写操作是互斥的 这意味着多个线程可以同时读数据 但写数据时需要获得一个独占的锁 当写者写数据时 其它写者或读者需要等待 直到这个写者完成写操作 读写锁常见的用法是控制线程对内存中的某种数据结构的访问 这种数据结构不能被原子性地更新 并且在完成更新之前都是无效的 读写锁通常用互斥锁 条件变量 信号量实现 某些读写锁允许在读模式与写模式之间升降级 1 目录 1 优先级策略 2 实现 2 1 使用两把互斥锁 2 2 使用条件变量与互斥锁 3 程序语言支持 3 1 Windows操作系统 4 可选 5 参见 6 注释 7 参考文献优先级策略 编辑读写锁可以有不同的操作模式优先级 读操作优先锁 提供了最大并发性 但在锁竞争比较激烈的情况下 可能会导致写操作饥饿 这是由于只要还有一个读线程持锁 写线程就拿不到锁 多个读者可以立刻拿到锁 这意味着一个写者可能一直在等锁 期间新的读者一直可以拿到锁 极端情况下 写者线程可能会一直等锁 直到所有一开始就拿到锁的读者释放锁 读者的可以是弱优先级的 如前文所述 也可以是强优先级的 即只要写者释放锁 任何等待的读者总能先拿到 写操作优先锁 如果队列中有写者在等锁 则阻止任何新读者拿锁 来避免了写操作饥饿的问题 一旦所有已经开始的读操作完成 等待的写操作立即获得锁 4 和读操作优先锁相比 写操作优先锁的不足在于在写者存在的情况下并发度低 内部实现需要两把互斥锁 5 未指定优先级锁 不提供任何读 写的优先级保证 实现 编辑使用两把互斥锁 编辑 Michel Raynal 英语 Michel Raynal 使用两把互斥锁与一个整数计数器实现 计数器b 跟踪被阻塞的读线程 互斥锁r 保护b 供读者使用 互斥锁g 指 global 确保写操作互斥 伪代码 Begin Read Lock r Increment b If b 1 lock g Unlock r End Read Lock r Decrement b If b 0 unlock g Unlock r Begin Write Lock g End Write Unlock g 实现是读操作优先 6 76 使用条件变量与互斥锁 编辑 可使用条件变量c 与普通的互斥锁m 整型计数器r 表示正在读的个数 与布尔标志w 表示正在写 来实现读写锁 lock for read操作 7 8 9 Lock m blocking While w wait c m a Increment r Unlock m lock for write操作 7 8 9 Lock m blocking While w or r gt 0 wait c m Set w to true Unlock m lock for read与lock for write各自有自己的逆操作 unlock for read通过减量r 并在r 变为0时通知c unlock for write设置w 为false并通知c 7 8 9 程序语言支持 编辑POSIX标准的pthread rwlock t与相关操作 10 ReadWriteLock 11 接口 ReentrantReadWriteLock 5 锁 从Java版本5开始 Microsoft System Threading ReaderWriterLockSlim锁 用于C 与 NET语言程序 12 std shared mutex read write锁在C 17 13 boost shared mutex与boost upgrade mutex锁在Boost C Libraries 14 sync RWMutex在Go语言 15 Phase fair reader writer lock 16 std sync RwLock 在Rust语言 17 Poco RWLock 在POCO C Libraries 英语 POCO C Libraries mse recursive shared timed mutex在SaferCPlusPlus库 是支持std recursive mutex 页面存档备份 存于互联网档案馆 的recursive ownership语义的std shared timed mutex 页面存档备份 存于互联网档案馆 的一个实现 txrwlock ReadersWriterDeferredLock 用于Twisted 18 Windows操作系统 编辑 SRWLock 见Windows操作系统API 从Windows Vista开始 19 读写锁 Slim reader writer SRW lock 用于进程内的线程间同步 SRW既不是公平的也不是先进先出的 读写锁数据结构的内部实现就是一个指针 读写锁的性能较临界区有很大的提升 这是因为读写锁是基于原子操作 关键段是基于event内核对象的 从用户模式到内核模式的切换占用了大量的时钟周期 相关API 20 InitializeSRWLock 动态初始化SRW结构 也可以直接赋值SRWLOCK INIT常量来静态初始化SRW结构 不需要显式析构 AcquireSRWLockShared 获取共享读的SRW锁 AcquireSRWLockExclusive 获取专享写的SRW锁 TryAcquireSRWLockShared 试图获取共享读的SRW锁 TryAcquireSRWLockExclusive 试图获取专享写的SRW锁 ReleaseSRWLockShared 释放已经获取的共享读的SRW锁 ReleaseSRWLockExclusive 释放已经获取的专享写的SRW锁 SleepConditionVariableSRW 在已经获取SRW锁的前提下 原子操作 在指定条件变量上睡眠并释放SRW锁可选 编辑read copy update RCU 算法是读写锁的一种替代实现 RCU对读操作是无等待 Linux内核实现了很少写操作的一种RCU叫做seqlock 参见 编辑信号量 互斥锁 调度 计算机 止步模式 英语 Balking pattern 文件锁定 锁 计算机科学 注释 编辑 This is the standard wait operation on condition variables which among other actions releases the mutex m 参考文献 编辑 Hamilton Doug Suggestions for multiple reader single writer lock Newsgroup comp os ms windows nt misc 21 April 1995 8 October 2010 Usenet hamilton 798430053 BIX com 原始内容存档于2012 11 09 Practical lock freedom 页面存档备份 存于互联网档案馆 by Keir Fraser 2004 Push Locks What are they Ntdebugging Blog MSDN Blogs 2009 09 02 11 May 2017 原始内容存档于2017 10 07 Stevens W Richard Rago Stephen A Advanced Programming in the UNIX Environment Addison Wesley 2013 409 5 0 5 1 java util concurrent locks ReentrantReadWriteLock Java readers writer lock implementation offers a fair mode Raynal Michel Concurrent Programming Algorithms Principles and Foundations Springer 2012 7 0 7 1 7 2 Herlihy Maurice Shavit Nir The Art of Multiprocessor Programming Elsevier 2012 184 185 8 0 8 1 8 2 Nichols Bradford Buttlar Dick Farrell Jacqueline PThreads Programming A POSIX Standard for Better Multiprocessing O Reilly 1996 84 89 9 0 9 1 9 2 Butenhof David R Programming with POSIX Threads Addison Wesley 1997 253 266 The Open Group Base Specifications Issue 6 IEEE Std 1003 1 2004 Edition pthread rwlock destroy The IEEE and The Open Group 14 May 2011 原始内容存档于2010 12 09 java util concurrent locks ReadWriteLock ReaderWriteLockSlim Class System Threading Microsoft Corporation 14 May 2011 原始内容存档于2017 07 16 New adopted paper N3659 Shared Locking in C Howard Hinnant Detlef Vollmann Hans Boehm Standard C Foundation 2017 11 22 原始内容存档于2016 08 26 Anthony Williams Synchronization Boost 1 52 0 31 Jan 2012 The Go Programming language Package sync 30 May 2015 原始内容存档于2018 01 03 Reader Writer Synchronization for Shared Memory Multiprocessor Real Time Systems PDF 2017 11 22 原始内容 PDF 存档于2017 08 10 std sync RwLock Rust 10 December 2015 原始内容存档于2019 07 17 Readers Writer Lock for Twisted 28 September 2016 Alessandrini Victor Shared Memory Application Programming Concepts and Strategies in Multicore Application Programming Morgan Kaufmann 2015 MSDN Slim Reader Writer SRW Locks 2017 11 23 原始内容存档于2015 04 16 取自 https zh wikipedia org w index php title 读写锁 amp oldid 73573328, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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