上一篇中我介绍了一种通过封闭Critical Section对象而方便的使用互斥锁的方式，文中所有的例子是两个线程对同一数据一读一写，因此需要让它们在这里互斥，不能同时访问。而在实际情况中可能会有更复杂的情况出现，就是多个线程访问同一数据，一部分是读，一部分是写。我们知道只有读-写或写-写同时进行时可能会出现问题，而读-读则可以同时进行，因为它们不会对数据进行修改，所以也有必要在C++中封装一种方便的允许读-读并发、读-写与写-写互斥的锁。要实现这种锁，使用临界区就很困难了，不如改用内核对象，这里我使用的是互斥量（Mutex）。
总体的结构与上一篇中的类似，都是写出一个对锁进行封装的基类，再写一个用于调用加、解锁函数的类，通过对第二个类的生命周期的管理实现加锁和解锁。这里涉及到两个新问题，一是加锁、解锁动作都有两种，一种是加/解读锁，一种是加/解写锁；二是为了允许读-读并发，这里只声明一个Mutex是不够的，必须要声明多个Mutex，而且有多少个Mutex就同时允许多少个读线程并发，之所以这么说，是因为我们要使用的API函数是WaitForMultipleObjects。
WaitForMultipleObjects函数的功能就是等待对象状态被设置，MSDN中对它的说明为：
Waits until one or all of the specified objects are in the signaled state or the time-out interval elapses.
这是个很好用的函数，我们可以用它来等待某个或某几个对象，并且允许设置超时时间，等待成功时与超时时返回的值是不同的。如果返回的值比WAIT_ABANDONED小则表示等待成功。“等待成功”对于不同类型的内核对象有不同的意义，例如对于进程或线程对象，等待成功就表示进程或线程执行结束了；对于互斥量对象，则表示此对象现在不被任何其他线程拥有，并且一旦等待成功，当前线程即拥有了此互斥量，其他线程则不能同时拥有，直接调用ReleaseMutex函数主动释放互斥量。
与WaitForMultipleObjects类似的还有一个函数WaitForSingleObject，它的功能比较简单，只针对单一个对象，而WaitForMultipleObjects可以同时等待多个对象，并且可以设置是否等待所有对象。
上一篇文章中用的InstanceLockBase类里面封装了一个Critical Section对象，这里则要封装一组Mutex的Handle，那么这一组是多少个呢？它应该由使用此类的程序中定义，例如可以用动态数组的方法：
//
基类：
class
RWLockBase
//
表示Read/Write Lock
...
{
HANDLE
*
handles;
protected
:
RWLockBase(
int
handleCount)
...
{ handles
=
new
HANDLE[handleCount]; }
…
}
;
//
子类：
class
MyClass:
public
RWLockBase
...
{
MyClass(): RWLockBase(
3
)
...
{}
…
}
;
这确实是个不错的办法，通过在子类构造函数的初始化段中调用基类构造函数并传参，使得这个动态数组得以正确初始化，不过这样看着不太爽，子类必须两次出现“RWLockBase”一词，能不能像InstanceLockBase那样只要继承了就好呢？答案是肯定的，只要用C++模板即可：
class
_RWLockBase
...
{
friend
class
RWLock;
protected
:
virtual
DWORD ReadLock(
int
timeout)
=
0
;
virtual
void
ReadUnlock(
int
handleIndex)
=
0
;
virtual
DWORD WriteLock(
int
timeout)
=
0
;
virtual
void
WriteUnlock()
=
0
;
}
;
模板类RWLockBase从_RWLockBase继承，并对四个函数写出实现：
template
<
int
maxReadCount
=
3
>
//
这里给一个缺省参数，尽量减少客户端代码量
class
RWLockBase:
public
_RWLockBase
...
{
HANDLE handles[maxReadCount];
DWORD ReadLock(
int
timeout)
//
加读锁，只要等到一个互斥量返回即可
...
{
return
::WaitForMultipleObjects(maxReadCount, handles, FALSE, timeout);
}
void
ReadUnlock(
int
handleIndex)
//
解读锁，释放已获得的互斥量
...
{
::ReleaseMutex(handles[handleIndex]);
}
DWORD WriteLock(
int
timeout)
//
加写锁，等到所有互斥量，从而与其他所有线程互斥
...
{
return
::WaitForMultipleObjects(maxReadCount, handles, TRUE, timeout);
}
void
WriteUnlock()
//
解写锁，释放所有的互斥量
...
{
for
(
int
i
=
0
; i
<
maxReadCount; i
++
)
::ReleaseMutex(handles[i]);
}
protected
:
RWLockBase()
//
构造函数，初始化每个互斥量
...
{
for
(
int
i
=
0
; i
<
maxReadCount; i
++
)
handles[i]
=
::CreateMutex(
0
, FALSE,
0
);
}
~
RWLockBase()
//
析构函数，销毁对象
...
{
for
(
int
i
=
0
; i
<
maxReadCount; i
++
)
::CloseHandle(handles[i]);
}
}
;
而相应的锁类也会稍复杂一些：
class
RWLock
...
{
bool
lockSuccess;
//
因为有可能超时，需要保存是否等待成功
int
readLockHandleIndex;
//
对于读锁，需要知道获得的是哪个互斥量
_RWLockBase
*
_pObj;
//
目标对象基类指针
public
:
//
这里通过第二个参数决定是加读锁还是写锁，第三个参数为超时的时间
RWLock(_RWLockBase
*
pObj,
bool
readLock
=
true
,
int
timeout
=
3000
)
...
{
_pObj
=
pObj;
lockSuccess
=
FALSE;
readLockHandleIndex
=
-
1
;
if
(NULL
==
_pObj)
return
;
if
(readLock)
//
读锁
...
{
DWORD retval
=
_pObj
->
ReadLock(timeout);
if
(retval
<
WAIT_ABANDONED)
//
返回值小于WAIT_ABANDONED表示成功
...
{
//
其值减WAIT_OBJECT_0就是数组下标
readLockHandleIndex
=
retval
-
WAIT_OBJECT_0;
lockSuccess
=
TRUE;
}
}
else
...
{
DWORD retval
=
_pObj
->
WriteLock(timeout);
if
(retval
<
WAIT_ABANDONED)
//
写锁时获得了所有互斥量，无需保存下标
lockSuccess
=
TRUE;
}
}
~
RWLock()
...
{
if
(NULL
==
_pObj)
return
;
if
(readLockHandleIndex
>
-
1
)
_pObj
->
ReadUnlock(readLockHandleIndex);
else
_pObj
->
WriteUnlock();
}
bool
IsLockSuccess()
const
...
{
return
lockSuccess; }
}
;
这样一来，读/写锁的类也就完成了，使用时与InstanceLock类似：
1 被锁对象从RWLockBase<>类继承
2 需要加读锁时，声明一个RWLock实例，并指出要加的是读锁
3 需要加写锁时，声明一个RWLock实例，并指出要加的是写锁
这里还是要多说两句，虽然使用纯虚函数结合模板类，使得客户端代码量减到最少，但性能上有一些影响，因为声明了虚函数，则实例中必然存在4个字节的VPTR，调用虚函数时则要查找VTABLE，空间和时间上都有微小的牺牲。而如果不使用模板类，则没有虚函数的代价，但也有牺牲：不使用模板类则需要使用动态数组，动态数组本身需要程序运行时在堆上分配，这也需要时间；指向动态数组的指针也需要占用内存，所以空间上的开锁是一样的，时间上虽然动态分配内存需要的时间应该比虚函数的调用要慢一点，但初始化只需要一次，总体来说也是值得的。所以最终要使用哪一种，就看具体需要了。
这里也给出一个实验。这里所用的被锁类也上一篇类似，简单的从RWLockBase类继承：
class
MyClass2:
public
RWLockBase
<>
...
{}
;
MyClass2 mc2;
看看两个线程函数：
//
读线程
DWORD CALLBACK ReadThreadProc(LPVOID param)
...
{
int
i
=
(
int
)param;
RWLock
lock
(
&
mc2);
//
加读锁
if
(
lock
.IsLockSuccess())
//
如果加锁成功
...
{
Say(
"
read thread %d started
"
, i);
//
为了代码短一些，假设Say函数有这种能力
Sleep(
1000
);
Say(
"
read thread %d ended
"
, i);
}
else
//
加锁超时，则显示超时信息
Say(
"
read thread %d timeout
"
, i);
return
0
;
}
//
写线程
DWORD CALLBACK WriteThreadProc(LPVOID param)
...
{
int
i
=
(
int
)param;
RWLock
lock
(
&
mc2,
false
);
//
加写锁。
if
(
lock
.IsLockSuccess())
...
{
Say(
"
write thread %d started
"
, i);
Sleep(
600
);
Say(
"
write thread %d ended
"
, i);
}
else
Say(
"
write thread %d timeout
"
, i);
return
0
;
}
主线程：
int
i;
for
(i
=
0
; i
<
5
; i
++
)
::CreateThread(
0
,
0
, ReadThreadProc, (LPVOID)i,
0
,
0
);
for
(i
=
0
; i
<
5
; i
++
)
::CreateThread(
0
,
0
, WriteThreadProc, (LPVOID)i,
0
,
0
);
程序共开10个线程，5个读5个写。从RWLockBase类继承时我们使用了默认的模板参数，所以最多同时允许3个读线程。程序的运行结果如下：
001 [15:07:28.484]read thread 0 started
002 [15:07:28.484]read thread 1 started
003 [15:07:28.484]read thread 2 started
004 [15:07:29.484]read thread 0 ended
005 [15:07:29.484]read thread 3 started
006 [15:07:29.484]read thread 1 ended
007 [15:07:29.484]read thread 4 started
008 [15:07:29.484]read thread 2 ended
009 [15:07:30.484]read thread 3 ended
010 [15:07:30.484]read thread 4 ended
011 [15:07:30.484]write thread 0 started
012 [15:07:31.078]write thread 0 ended
013 [15:07:31.078]write thread 1 started
014 [15:07:31.484]write thread 2 timeout
015 [15:07:31.484]write thread 3 timeout
016 [15:07:31.484]write thread 4 timeout
017 [15:07:31.687]write thread 1 ended
前三行三个读线程取得读锁，之后等一秒（第4-8行），三个读线程都结束了，并且余下的两个读线程取得读锁，虽然这时剩下了一个互斥量没有使用，但因为其他的线程都请求加写锁，写锁与其他所有线程互斥，所以还不能取得写锁。再过一秒（第9-11行），后来的两个取得读锁的线程也结束了，则第一个写线程取得写锁。600毫秒之后（第12-13行）第一个写线程结束，第二个写线程开始。400毫秒之后（第14-16行）余下的三个写线程都超时了，再后第二个写线程也结束了。
posted on 2006-10-19 14:35
Jerry Cat 阅读(1492)
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