仅使用关键部分的 Win32 读/写锁定

Question

作为工作项目的一部分，我必须使用 Win32 api 在 C++ 中实现读/写锁。 所有现有的解决方案都使用需要在执行期间进行上下文切换的内核对象（信号量和互斥体）。 这对于我的应用程序来说太慢了。

如果可能的话，我想仅使用关键部分来实现一个。 锁不必是进程安全的，只需是线程安全的。 关于如何解决这个问题有什么想法吗？

Answer 1

如果您可以针对 Vista 或更高版本，则应使用内置 SRWLock 的。 它们像关键部分一样是轻量级的，在没有争用时完全是用户模式。

Joe Duffy 的博客最近有一些关于实现不同类型的非-阻塞读/写锁。 这些锁会旋转，因此如果您打算在持有锁的同时做大量工作，那么它们并不合适。 代码是 C# 的，但应该可以直接移植到本机。

您可以使用临界区和事件来实现读取器/写入器锁 - 您只需要保留足够的状态，以便仅在必要时发出事件信号，以避免不必要的内核模式调用。

Answer 2

我认为如果不使用至少一个内核级对象（互斥体或信号量）就无法完成此操作，因为您需要内核的帮助来使调用进程阻塞，直到锁可用。

关键部分确实提供了阻塞，但 API 太有限了。 例如，您无法获取CS，发现读锁可用但没有写锁，然后等待另一个进程完成读取（因为如果另一个进程拥有临界区，它将阻塞其他读取器，这是错误的，如果 但是，

您可以做的是使用自旋锁，并在出现争用时回退到互斥体。 临界区本身就是这样实现的。 我将采用现有的关键部分实现，并用单独的读取器和读取器替换 PID 字段。 作家算数。

Answer 3

老问题，但这应该有效。 它不会引发争论。 如果读者很少或没有争用，则他们会产生有限的额外成本，因为 SetEvent 被延迟调用（查看编辑历史记录，了解没有此优化的更重量级版本）。

#include <windows.h>

typedef struct _RW_LOCK {
    CRITICAL_SECTION countsLock;
    CRITICAL_SECTION writerLock;
    HANDLE noReaders;
    int readerCount;
    BOOL waitingWriter;
} RW_LOCK, *PRW_LOCK;

void rwlock_init(PRW_LOCK rwlock)
{
    InitializeCriticalSection(&rwlock->writerLock);
    InitializeCriticalSection(&rwlock->countsLock);

    /*
     * Could use a semaphore as well.  There can only be one waiter ever,
     * so I'm showing an auto-reset event here.
     */
    rwlock->noReaders = CreateEvent (NULL, FALSE, FALSE, NULL);
}

void rwlock_rdlock(PRW_LOCK rwlock)
{
    /*
     * We need to lock the writerLock too, otherwise a writer could
     * do the whole of rwlock_wrlock after the readerCount changed
     * from 0 to 1, but before the event was reset.
     */
    EnterCriticalSection(&rwlock->writerLock);
    EnterCriticalSection(&rwlock->countsLock);
    ++rwlock->readerCount;
    LeaveCriticalSection(&rwlock->countsLock);
    LeaveCriticalSection(&rwlock->writerLock);
}

int rwlock_wrlock(PRW_LOCK rwlock)
{
    EnterCriticalSection(&rwlock->writerLock);
    /*
     * readerCount cannot become non-zero within the writerLock CS,
     * but it can become zero...
     */
    if (rwlock->readerCount > 0) {
        EnterCriticalSection(&rwlock->countsLock);

        /* ... so test it again.  */
        if (rwlock->readerCount > 0) {
            rwlock->waitingWriter = TRUE;
            LeaveCriticalSection(&rwlock->countsLock);
            WaitForSingleObject(rwlock->noReaders, INFINITE);
        } else {
            /* How lucky, no need to wait.  */
            LeaveCriticalSection(&rwlock->countsLock);
        }
    }

    /* writerLock remains locked.  */
}

void rwlock_rdunlock(PRW_LOCK rwlock)
{
    EnterCriticalSection(&rwlock->countsLock);
    assert (rwlock->readerCount > 0);
    if (--rwlock->readerCount == 0) {
        if (rwlock->waitingWriter) {
            /*
             * Clear waitingWriter here to avoid taking countsLock
             * again in wrlock.
             */
            rwlock->waitingWriter = FALSE;
            SetEvent(rwlock->noReaders);
        }
    }
    LeaveCriticalSection(&rwlock->countsLock);
}

void rwlock_wrunlock(PRW_LOCK rwlock)
{
    LeaveCriticalSection(&rwlock->writerLock);
}

您可以通过使用单个 CRITICAL_SECTION 来降低读取器的成本：

• countsLock 在 rdlock 和 rdunlock 中被替换为 writerLock

• rwlock->waitingWriter = FALSE 在 wrunlock

  中被删除

• wrlock 的正文更改为

  EnterCriticalSection(&rwlock->writerLock); 
    rwlock->waitingWriter = TRUE; 
    while (rwlock->readerCount > 0) { 
        LeaveCriticalSection(&rwlock->writerLock); 
        WaitForSingleObject(rwlock->noReaders, INFINITE); 
        EnterCriticalSection(&rwlock->writerLock); 
    } 
    rwlock->waitingWriter = FALSE; 
  
    /* writerLock 保持锁定状态。   */ 
    

但是这样就失去了公平性，所以我更喜欢上面的解决方案。

Answer 4

看一下“Windows 上的并发编程”一书，其中有很多内容读/写锁的不同参考示例。

Answer 5

查看 spin_rw_mutex 来自英特尔的 线程构建块 ...

spin_rw_mutex 严格位于用户态
并采用自旋等待进行阻塞

Answer 6

这是一个老问题，但也许有人会发现这很有用。 我们开发了一款高性能的适用于 Windows 的开源 RWLock，它可以自动使用 Vista+ SRWLock Michael提到的（如果可用），否则回退到用户空间实现。

作为额外的好处，它有四种不同的“风味”（尽管您可以坚持使用基本的，这也是最快的），每种都提供更多的同步选项。 它从基本的 RWLock() 开始，它是不可重入的，仅限于单进程同步，并且不会将读/写锁交换为具有可重入功能的成熟的跨进程 IPC RWLock支持和读/写降低高度。

如前所述，它们会在可能的情况下动态交换到 Vista+ slim 读写锁，以获得最佳性能，但您完全不必担心这一点，因为它会回退到 Windows XP 及其上的完全兼容的实现。等等。

Answer 7

我仅使用关键部分编写了以下代码。

class ReadWriteLock {
    volatile LONG writelockcount;
    volatile LONG readlockcount;
    CRITICAL_SECTION cs;
public:
    ReadWriteLock() {
        InitializeCriticalSection(&cs);
        writelockcount = 0;
        readlockcount = 0;
    }
    ~ReadWriteLock() {
        DeleteCriticalSection(&cs);
    }
    void AcquireReaderLock() {        
    retry:
        while (writelockcount) {
            Sleep(0);
        }
        EnterCriticalSection(&cs);
        if (!writelockcount) {
            readlockcount++;
        }
        else {
            LeaveCriticalSection(&cs);
            goto retry;
        }
        LeaveCriticalSection(&cs);
    }
    void ReleaseReaderLock() {
        EnterCriticalSection(&cs);
        readlockcount--;
        LeaveCriticalSection(&cs);
    }
    void AcquireWriterLock() {
        retry:
        while (writelockcount||readlockcount) {
            Sleep(0);
        }
        EnterCriticalSection(&cs);
        if (!writelockcount&&!readlockcount) {
            writelockcount++;
        }
        else {
            LeaveCriticalSection(&cs);
            goto retry;
        }
        LeaveCriticalSection(&cs);
    }
    void ReleaseWriterLock() {
        EnterCriticalSection(&cs);
        writelockcount--;
        LeaveCriticalSection(&cs);
    }
};

要执行旋转等待，请注释带有 Sleep(0) 的行。

Answer 8

如果您已经知道仅使用互斥体的解决方案，您应该能够修改它以使用关键部分。

我们使用两个关键部分和一些计数器来推出我们自己的。 它适合我们的需求——我们的作者数量非常少，作者优先于读者，等等。我不能自由地发布我们的，但可以说没有互斥体和信号量是可能的。

Answer 9

这是我能想到的最小解决方案：

http://www.baboonz.org/rwlock。 php

并逐字粘贴：

/** A simple Reader/Writer Lock.

This RWL has no events - we rely solely on spinlocks and sleep() to yield control to other threads.
I don't know what the exact penalty is for using sleep vs events, but at least when there is no contention, we are basically
as fast as a critical section. This code is written for Windows, but it should be trivial to find the appropriate
equivalents on another OS.

**/
class TinyReaderWriterLock
{
public:
    volatile uint32 Main;
    static const uint32 WriteDesireBit = 0x80000000;

    void Noop( uint32 tick )
    {
        if ( ((tick + 1) & 0xfff) == 0 )     // Sleep after 4k cycles. Crude, but usually better than spinning indefinitely.
            Sleep(0);
    }

    TinyReaderWriterLock()                 { Main = 0; }
    ~TinyReaderWriterLock()                { ASSERT( Main == 0 ); }

    void EnterRead()
    {
        for ( uint32 tick = 0 ;; tick++ )
        {
            uint32 oldVal = Main;
            if ( (oldVal & WriteDesireBit) == 0 )
            {
                if ( InterlockedCompareExchange( (LONG*) &Main, oldVal + 1, oldVal ) == oldVal )
                    break;
            }
            Noop(tick);
        }
    }

    void EnterWrite()
    {
        for ( uint32 tick = 0 ;; tick++ )
        {
            if ( (tick & 0xfff) == 0 )                                     // Set the write-desire bit every 4k cycles (including cycle 0).
                _InterlockedOr( (LONG*) &Main, WriteDesireBit );

            uint32 oldVal = Main;
            if ( oldVal == WriteDesireBit )
            {
                if ( InterlockedCompareExchange( (LONG*) &Main, -1, WriteDesireBit ) == WriteDesireBit )
                    break;
            }
            Noop(tick);
        }
    }

    void LeaveRead()
    {
        ASSERT( Main != -1 );
        InterlockedDecrement( (LONG*) &Main );
    }
    void LeaveWrite()
    {
        ASSERT( Main == -1 );
        InterlockedIncrement( (LONG*) &Main );
    }
};

Answer 10

在这里查看我的实现：

https://github.com/coolsoftware/LockLib

VRWLock 是一个 C++ 类，它实现单个作者 - 多个读者逻辑。

另请参阅测试项目 TestLock.sln。

UPD。 下面是读者和作者的简单代码：

LONG gCounter = 0;

// reader

for (;;) //loop
{
  LONG n = InterlockedIncrement(&gCounter); 
  // n = value of gCounter after increment
  if (n <= MAX_READERS) break; // writer does not write anything - we can read
  InterlockedDecrement(&gCounter);
}
// read data here
InterlockedDecrement(&gCounter); // release reader

// writer

for (;;) //loop
{
  LONG n = InterlockedCompareExchange(&gCounter, (MAX_READERS+1), 0); 
  // n = value of gCounter before attempt to replace it by MAX_READERS+1 in InterlockedCompareExchange
  // if gCounter was 0 - no readers/writers and in gCounter will be MAX_READERS+1
  // if gCounter was not 0 - gCounter stays unchanged
  if (n == 0) break;
}
// write data here
InterlockedExchangeAdd(&gCounter, -(MAX_READERS+1)); // release writer

VRWLock 类支持自旋计数和线程特定的引用计数，允许释放已终止线程的锁。