C++ 原生实现类似 .NET 的 ReaderWriterLock 类

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引言

读写锁（ReaderWriterLock）机制用于同步对资源的访问。在任何给定时间，它允许多个线程并发读取，或者只允许一个线程写入。在资源不经常更改的情况下，读写锁比简单的逐一锁定（例如 CriticalSection 或 Mutex）能提供更好的吞吐量。

背景

.NET Framework 中的 System.Threading.ReaderWriterLock 类 提供了一种 Win32 没有的新同步方法。如果您从未听说过读写锁的概念，那么 .NET 文档是一个很好的起点。以下是我对 .NET Framework 中实现的 ReaderWriterLock 特性的总结：

1. ReaderWriterLock 用于同步对资源的访问。在任何给定时间，它允许多个线程并发读取，或者只允许一个线程写入。
2. 该类在大多数访问都是读取、而写入操作**不频繁**且**持续时间短**的情况下效果最佳。在这种情况下，ReaderWriterLock 比简单的逐一锁定（如 CriticalSection 或 Mutex）能提供更好的吞吐量。
3. 当一个写入者正在等待活动读取锁被释放时，请求新读取锁的线程**必须在读取队列中等待**。即使它们可以与现有的读取锁持有者共享并发访问，它们的请求也不会被授予；这有助于保护写入者免受读取者造成的无限期阻塞。
4. 支持**重入**（允许同一线程多次调用 AcquireReaderLock/AcquireWriterLock）和**锁升级**（在拥有读取锁时调用 UpgradeToWriterLock）。

C++ 读写锁类

我对 读写锁 机制的实现具有 .NET 类的所有特性，但“锁句柄”除外。此外，此实现中有两个类：每个类都有其自身的便利性（当然也有不便之处）。以下是它们重要方法的简要描述：

CReaderWriterLockNonReentrance

AcquireReaderLock	获取读取锁。调用此方法时，请确保调用线程尚未拥有任何锁（读锁或写锁）；否则可能会发生死锁。
ReleaseReaderLock	释放读取锁。调用此方法时，请确保调用线程已拥有读取锁；否则对象的行为将是未定义的。
AcquireWriterLock	获取写入锁。调用此方法时，请确保调用线程尚未拥有任何锁（读锁或写锁）；否则可能会发生死锁。
ReleaseWriterLock	释放写入锁。调用此方法时，请确保调用线程已拥有写入锁；否则对象的行为将是未定义的。
DowngradeFromWriterLock	以原子操作释放写入锁并获取读取锁。调用此方法时，请确保调用线程已拥有写入锁；否则对象的行为将是未定义的。
UpgradeToWriterLock	释放读取锁并获取写入锁。如果发生“超时”，此方法将在返回前自动重新获取读取锁。换句话说：如果“升级”因“超时”而失败，调用线程仍将持有（拥有）读取锁。调用此方法时，请确保线程已拥有读取锁；否则对象的行为将是未定义的。 重要提示：如果“timeout” != 0，则在方法返回之前，其他线程可能写入资源，无论调用线程是否成功升级。

本文附带的演示项目还显示了 CReaderWriterLockNonReentrance 类的一个非预期行为（在一个线程中调用 AcquireXXX ，然后在另一个线程中调用 ReleaseXXX ）。虽然不推荐使用此非预期功能，但在某些情况下它非常有用；请谨慎使用。

CReaderWriterLock

AcquireReaderLock	一个线程可以多次调用 AcquireReaderLock，每次都会增加读取锁计数器。您必须为每次调用 AcquireReaderLock 调用一次 ReleaseReaderLock。或者，您可以调用 ReleaseAllLocks 将锁计数立即减少到零。 注意：当满足以下两个条件之一时，读取锁请求将始终立即获得： a) 当前线程已拥有写入锁；这是为了防止线程阻塞自身。 b) 当前线程已拥有读取锁（支持递归锁）
ReleaseReaderLock	减少读取锁计数器。当计数器达到零时，锁被释放。调用此方法时，请确保调用线程已拥有读取锁；否则将在 DEBUG 模式下引发异常。
AcquireWriterLock	一个线程可以多次调用 AcquireWriterLock，每次都会增加写入锁计数器。您必须为每次调用 AcquireWriterLock 调用一次 ReleaseWriterLock。或者，您可以调用 ReleaseAllLocks 将锁计数立即减少到零。 注意: a) 为防止线程阻塞自身，当当前线程已拥有写入锁时，写入锁请求将始终立即获得。 b) 如果调用线程已拥有读取锁但未拥有写入锁，它将隐式“升级”为拥有写入锁。 重要提示：如果进行了隐式“升级”且“timeout” != 0，则在方法返回之前，其他线程可能写入资源，无论调用线程是否成功升级。
ReleaseWriterLock	减少写入锁计数器。当计数器达到零时，锁被释放。调用此方法时，请确保调用线程已拥有写入锁；否则将在 DEBUG 模式下引发异常。 注意：如果对象检测到此请求对应于之前的自动升级，它也将自动降级（释放写入锁但仍保留读取锁）。
ReleaseAllLocks	将调用线程的所有锁计数器（写入计数器和读取计数器）重置为零，并释放写入锁和读取锁，无论该线程拥有多少次读取锁或写入锁。 注意：之后，任何对 ReleaseWriterLock 或 ReleaseReaderLock 的调用将在 DEBUG 模式下引发异常。
GetCurrentThreadStatus	检索调用线程的锁计数器（读取计数器和写入计数器）。

正如有些人可能注意到的，没有像 **CReaderWriterLockNonReentrance** 类那样的“升级”或“降级”方法。实际上，我们不需要这些方法，因为这些操作（“升级”或“降级”）将是隐式和自动进行的。

一些辅助类

CAutoReadLock(T) 和 CAutoWriteLock(T) 允许线程在一个代码块中获取锁，而不必担心在遇到异常时显式释放该锁，或者如果代码块有多个返回点。

内部实现与效率

在此实现中，每个 读写锁 对象包含三个同步对象：

1. 一个 CriticalSection 对象。此对象需要保护所有其他成员，以便对它们的操作可以原子地完成。在内部，CriticalSection 对象是一块内存（24 字节）加上一个内核事件对象（使用 CreateEvent 函数）。要理解我为什么这么说，请参阅“Windows 下摆脱临界段死锁的困境”。如果临界段代码非常短（进入后很快离开），则几乎从不创建事件对象。这解释了为什么 CriticalSection 是 Win32 中最快的同步方法。查看源代码，您会发现我的实现满足此条件 – 每个临界段内的代码都非常短小。因此，事件对象几乎从不被创建。
2. 一个手动重置事件对象。当新读取者必须等待直到没有写入者占用 读写锁 对象时，将动态创建此对象。当不再需要时，此事件对象将自动删除以节省系统资源。此事件对象扮演着 .NET 团队称之为“读取队列”的角色。
3. 一个自动重置事件对象。当新写入者必须等待直到 读写锁 对象未被任何活动线程（读取者或写入者）锁定，将动态创建此对象。当不再需要时，此事件对象也将自动删除以节省系统资源。此事件对象扮演着 .NET 团队称之为“写入队列”的角色。

总而言之，当正确使用这些类时（多个读取者，几乎没有写入者），读写锁 对象几乎不使用任何内核对象，读取线程几乎从不做 WaitForXXX 操作。此算法决定了我的实现的效率：速度快，并且消耗的内核资源非常少。“消耗的内核资源非常少”将是一个巨大的优势，如果您需要在应用程序中同时使用许多 读写锁 对象。

讨论

与 CReaderWriterLockNonReentrance 类相比，CReaderWriterLock 类更容易使用，终端用户（开发人员）不必像使用非重入版本那样担心死锁。然而，非重入版本更快，内存使用效率更高：它没有哈希表来维护每个线程的计数器，因此避免了动态内存分配的开销。自然，一个常见的问题会出现在我们脑海中：我们应该使用哪一个？这个问题并不容易回答，以下只是我个人的想法：

1. 如果您的团队成员（同事）在多线程和同步方面花费的时间不够多，那么 CriticalSection 和 Mutex 是减少错误使用风险的好选择。
2. 如果并发和高速至关重要，有经验的人会偏爱非重入版本（CReaderWriterLockNonReentrance），因为他/她可以控制一切。
3. 如果并发和高速至关重要，但重入问题非常难以避免，那么 CReaderWriterLock 似乎是必不可少的。在这种情况下，可以考虑将 STL map 类替换为更合适的类，以减少动态内存分配的开销。供您参考，我想介绍 Joaquín M López Muñoz 的文章“用于加速 VC++ STL 的自定义块分配器”，该文章可以在几分钟内集成到此库中，但我将其留给您来保持我的源代码的简洁性。
4. 如果您不想浪费一个 CriticalSection 对象，请考虑使用自旋锁（Spin Lock）来替换它。

历史

• 2007 年 10 月 17 日：版本 2.0
  • 支持超时
  • 在 CReaderWriterLockNonReentrance 类中，将方法 ReleaseReaderAndAcquireWriterLock 重命名为 UpgradeToWriterLock
• 2007 年 1 月 14 日：版本 1.2
  • 修改了一些方法，使临界区内的代码尽可能短
  • 在 CReaderWriterLock 类中添加了更多方便的方法
  • 最后但也是最重要的，CReaderWriterLockNonReentrance 进行了深度修改，使其比以前的版本更能用于实际工作
• 2006 年 2 月 28 日：版本 1.1
  • 将许可证更改为“宽通用公共许可证”（Lesser General Public License）（感谢 Mitchel Haas）
  • 通过重新定义 ASSERT 和 VERIFY 宏，增加了对非 MFC 项目的支持
  • 添加了一些辅助类，CAutoReadLock 和 CAutoWriteLock（感谢 Andy318）
  • 修改了演示项目，以显示 CReaderWriterLockNonReentrance 类的一个非预期行为
• 2006 年 2 月 1 日：版本 1.0