本文描述了一种简单的跨平台锁框架的设计与实现，该框架小巧实用、易于扩展，它的特点如下：
● 实现了线程间互斥锁
● 实现优化了单线程环境中的空锁和空级别锁
● 支持编译时或运行时选择锁
● 支持对象和类级别的锁粒度
● 支持错误或异常处理
框架结构
由锁抽象、锁适配器、锁守卫、线程互斥锁和锁级别5个基本组件构成，对应类的关系如下图。
基本组件
锁抽象
提供锁语义的抽象，一般有5种操作：创建或初始化、阻塞加锁、非阻塞加锁、解锁和销毁，实现为lock_base类。
1
class lock_base
2
{
3
public:
4
lock_base()
{}
5 virtual ~lock_base(){}
6
7 virtual int lock() = 0;
8 virtual int trylock() = 0;
9 virtual int unlock() = 0;
10
};
构造对应创建或初始化操作，析构对应销毁操作，lock对应阻塞加锁，trylock对应非阻塞加锁，unlock对应解锁。
锁适配器
支持运行时动态绑定某个具体锁，实现为lock_adapter类模板，继承lock_base。
1 template<class T>
2 class lock_adapter : public lock_base
3{
4public:
5 lock_adapter(T &lock)
6 :lock_(&lock)
7 ,del_(false)
8 {}
9
10 lock_adapter()
11 :del_(true)
12 { lock_ = new T(); }
13
14 ~lock_adapter()
15 { if(del_) delete lock_; }
16
17 virtual int lock()
18 { return lock_->lock(); }
19
20 virtual int trylock()
21 { return lock_->trylock(); }
22
23 virtual int unlock()
24 { return lock->unlock(); }
25
26private:
27 T *lock_;
28 bool del_;
29};
提供2个构造函数，支持引用外部锁和构造内部锁，并将方法实现委托给对应的锁实例。
线程互斥锁
一种支持线程间同步的具体锁，支持windows和linux平台，实现为thread_mutex类。
lock、trylock和unlock返回0表示成；-1表示失败，errno指示错误码; 当仅用于单线程环境时，加解锁没有意义，提供一个空锁，实现为null_mutex类。
1class null_mutex
2{
3public:
4 int lock() { return 0;}
5 int trylock() { return 0;}
6 int unlock() { return 0; }
7};
锁守卫
用于自动获取和释放锁，保证当异常发生时能自动解锁，实现为lock_guard类模板，T表示锁类型，只要这个类型提供lock、trylock和unlock三种语义。
1template<class T>
2 class lock_guard : noncopyable
3{
4public:
5 explicit lock_guard(T &lock, bool block=true)
6 : lock_(&lock)
7 {
8 owner_ = (block ? lock_->lock() : lock_->trylock());
9
}
10
11 ~lock_guard()
12 {
13 if(0==owner_) lock_->unlock();
14 }
15
16 int locked() const
17 { return owner_; }
18
19private:
20 T *lock_;
21 int owner_;
22};
构造函数形参block为true表示阻塞加锁，否则非阻塞加锁。当T为null_mutex时，为了避免调用lock和unlock的开销，特化如下。
1template<>
2class lock_guard<null_mutex>
3{
4 public:
5
explicit lock_guard(null_mutex&){}
6 ~lock_guard() {}
7 };
锁级别
提供类级别和对象级别2种锁粒度：类级别是指所有对象共享同一个锁，实现为class_level_lock类模板；对象级别是指每个对象持有自己的锁， 实现为object_level_lock类模板。
1template<class T>
2class level_lock_base : noncopyable
3{
4public:
5 typedef lock_guard<const T> lock_guard_type;
6
7 int lock() const
8 { return static_cast<const T*>(this)->lock_.lock(); }
9
10 int trylock() const
11 { return static_cast<const T*>(this)->lock_.trylock();}
12
13 int unlock() const
14 { return static_cast<const T*>(this)->lock_.unlock(); }
15
16protected:
17 ~level_lock_base(){}
18};
19
20 template<class T,class L>
21 class class_level_lock : public level_lock_base<class_level_lock<T,L> >
22{
23 template<class U>
24 friend class level_lock_base;
25
26protected:
27 ~class_level_lock(){}
28
29private:
30 static L lock_;
31};
32
33 template<class T,class L>
34 L class_level_lock<T,L>::lock_;
35
36 template<class T,class L>
37 class object_level_lock : public level_lock_base<object_level_lock<T,L> >
38{
39 template<class U>
40 friend class level_lock_base;
41
42protected:
43 ~object_level_lock(){}
44
45private:
46 mutable L lock_;
47};
level_lock_base是为遵循DRY SPOT原则而衍生的基类，使用CRTP模式，T是继承它的级别子类类型；它避免了每个子类都要编写lock、trylock和unlock的冗余，并使用const T定义了锁守卫类型别名，这是为了支持子类的const方法。class_level_lock和object_level_lock中的T是宿主类类型，L是锁类型，当L为null_mutex时，为避免调用lock（或trylock）和unlock的开销，提供了一个空级别，实现为null_level_lock类模板，继承level_lock_base，并且必须要以它特化锁守卫，这样在实际使用时就不会引起"lock_不是null_level_lock<T,L>的成员"编译错误。
1 template<class T,class L>
2 class null_level_lock : public level_lock_base<null_level_lock<T,L> >
3{
4protected:
5 ~null_level_lock(){}
6};
7
8 template<class T,class L>
9 class lock_guard<const null_level_lock<T,L> >
10{
11public:
12 explicit lock_guard(const null_level_lock<T,L>&){}
13 ~lock_guard(){}
14};
应用示例
编译时选择锁类型与级别
stl_sequence是以stl中的vector、list和deque三种序列容器为基础进行共性抽象的包装容器，为了使它灵活支持各种锁与级别，就需要将锁和级别定义为模板参数，并提供一个默认的类型。
1
template<typename T,
2 class L = null_mutex, //lock type
3 template<class T,class L> class E = null_level_lock, //lock level
4 template<class T,class U> class C = std::vector,
5 template <class T> class U = std::allocator
6 >
7class stl_sequence : private E<stl_sequence<T,L,E,C,U>,L>
8
{
9
typedef U<T> Allocator;
10 typedef C<T,Allocator> cont_type;
11 typedef stl_sequence<T,L,E,C,U> self_type;
12 typedef E<self_type,L> base_type;
13 typedef typename base_type::lock_guard_type lock_guard_type;
14
15public:
16
17 void add(const T &t,bool append = true)
18
{
19 lock_guard_type guard(*this);
20 //do add thing
21
}
22
23 void insert(size_t idx,const T &t)
24 {
25 lock_guard_type guard(*this);
26 //do insert thing
27 }
28
29 void erase(size_t idx)
30 {
31 lock_guard_type guard(*this);
32 //do erase thing
33 }
34
35 T* get(size_t idx)
36 {
37 lock_guard_type guard(*this);
38 //do get thing
39 }
40
41
};
从上可见，增加、删除、修改和查找操作都是通过首先调用lock_guard_type guard(*this)仅一行代码来支持线程同步，下面来看看它的使用。
● 使用空级别锁：seq1和seq2都没有锁，即使seq2使用了thread_mutex。
1 stl_sequence<int> seq1;
2 stl_sequence<int,thread_mutex> seq2;
● 使用对象级别锁：seq3和seq4具有各自的锁。
1 stl_sequence<int,thread_mutex,object_level_lock> seq3, seq4;
● 使用类级别锁：seq5和seq6共享同一个锁。
1 stl_sequence<int,thread_mutex,class_level_lock> seq5, seq6;
● 使用空锁：seq7、seq8和seq9都没有锁，但seq7效率稍高。
1 stl_sequence<int,null_mutex> seq7;
2 stl_sequence<int,null_mutex,class_level_lock> seq8;
3 stl_sequence<int,null_mutex,object_level_lock> seq9;
综上可知，在单线程环境中，使用空级别空锁就够了；而在多线程环境中,可依据需求灵活选择对象级别或类级别锁。
运行时绑定具体锁
1 lock_base *lb;
2 if(argc>1 && 0==strcmp(argv[1],"thread_mutex"))
3 lb = new lock_adapter<thread_mutex>(*(new thread_mutex));
4 else
5 lb = new lock_adapter<null_mutex> (*(new null_mutex));
6
auto_ptr<lock_base> ap(lb);
7 lock_guard<lock_base> guard(*lb);
8 //do some thing
posted on 2014-12-28 23:38
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