【Linux】自旋锁和读写锁

📝前言：

这篇文章我们来讲讲Linux——自旋锁和读写锁

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一、自旋锁

1. 基本介绍

• 自旋锁是一种多线程同步机制，用于保护共享资源免受并发访问的影响。
• 在多个线程尝试获取锁时，它们会持续自旋（即在一个循环中不断检查锁是否可用）而不是立即进入休眠状态等待锁的释放。【这是自旋锁和互斥锁的重要区别】
• 这种机制减少了线程切换的开销，适用于短时间内锁的竞争情况
  • 当获取锁的线程访问临界区的时间很短的时候，就不需要把申请不到锁的线程阻塞挂起，因为这样的线程切换开销大（比一直等的开销大）
  • 而是可以，让线程自旋，一直尝试申请锁

2. 原理

自旋锁通常使用一个共享的标志位bool来表示锁的状态。

• 当标志位为true 时，表示锁已被某个线程占用；（当一个线程尝试获取自旋锁时，但是标记位为true，它会不断检查标志位）
• 当标志位为 false 时，表示锁可用。它会获得这个锁，并把锁的标记位设置为true

3. 接口

pthread库也提供了自旋锁的接口
类型

pthread_spinlock_t

初始化

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);

• lock：指向自旋锁变量的指针。
• pshared：
  • PTHREAD_PROCESS_PRIVATE（默认）：仅在同一进程的线程间共享。
  • PTHREAD_PROCESS_SHARED：可在不同进程间共享（需要共享内存支持）。
• 返回值：成功返回 0，失败返回错误码

销毁：

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);

注意：必须在未被任何线程持有的时候销毁

忙等待加锁（就是一直轮询）

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);

尝试加锁（非阻塞）

int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);

可用于尝试特定的次数，不至于一直忙等待
解锁

int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

总的来讲，使用上和互斥锁没什么区别，知道获取锁的时候是一直轮询，忙等待就行了。

二、读写锁

1. 基本介绍

读写锁，我们学习读者写者模型，通过对比生产消费模型。
读者写者模型的"321"原则：

• 三种关系：
  • 写者与写者：互斥关系
  • 写者与读者：互斥 + 同步
  • 读者与读者：并发关系（也就是没有关系，可以同时读）
• 两种角色：读者和写者
• 一个交易场所：公共资源

和生产者消费者模型的主要区别是：读者和读者之间没有关系，因为读者写者模型中，读者并不会把资源拿走。

2. 实现

如何实现呢？

读者去读

• 用一个计数器记录读者的数量
• 第一个读者读的时候（读者数量从 0 → 1），把写者的锁（这个锁是维护公共资源的锁）拿走（让写者无法访问公共资源）
• 每一个读者进入都要对读者数量进行++操作（注意这个计数器也是公共资源，要有另一把锁来维护这个计数器）
• 然后读者可以读

写者去写

• 只有能拿到锁的时候才能去写（也就是读者数量为 0，把锁给释放了的时候）

饥饿特性

• 读者写者模型有一个饥饿特性！在C++库中默认是读者优先，写者饥饿的（因为写独占，读共享，读锁优先级高）
• 读者优先：当有读者正在读取时，新到达的读者会立即被允许进入读取区，而写者则会被阻塞，直到所有读者都离开读取区（读锁内部有读者计数）。
  • 当然也不是完全没机会：在读者都在处理数据的时候，写者就有机会进入写

• 写者优先：当写者请求写入权限时，系统会尽快地让写者进入写入区，即使此时有读者正在读取。这通常意味着一旦有写者到达，所有后续的读者都会被阻塞，直到写者完成写入并离开写入区

3. 接口

初始化

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

• 默认是读者优先的（要设置写者优先也可以，但是比较复杂）
• rwlock：指向读写锁变量的指针。
• attr：读写锁属性，通常设为 NULL（使用默认属性）。
• 返回值：成功返回 0，失败返回错误码

销毁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

加锁（读锁）
多个线程可以同时持有读锁，适用于只读操作
阻塞版本

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 如果当前没有写锁，则获取读锁（允许其他读锁继续获取）。
• 如果有写锁，则阻塞直到写锁释放。

非阻塞

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 果锁不可用，立即返回EBUSY，而不是阻塞。

加锁（写锁）
写锁是独占的，同一时间只能有一个线程持有写锁
阻塞版本

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 如果当前没有读锁或写锁，则获取写锁。
• 否则阻塞，直到所有读锁和写锁释放。

非阻塞版本

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 如果锁不可用，立即返回 EBUSY。

解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

• 释放读锁或者写锁

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