【C++多线程】读写锁shared_lock/shared_mutex

　　转自princetengC++多线程——读写锁shared_lock/shared_mutex

 何为读写锁

　　相比互斥锁，读写锁允许更高的并行性，互斥量要么锁住状态要么不加锁，而且一次只有一个线程可以加锁。
读写锁可以有三种状态：

• 读模式加锁状态；
• 写模式加锁状态；
• 不加锁状态；

　　只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是可以有多个线程占有读模式的读写锁。读写锁也叫做“共享-独占锁”，当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。

• 当读写锁处于写加锁状态时，在其解锁之前，所有尝试对其加锁的线程都会被阻塞；
• 当读写锁处于读加锁状态时，所有试图以读模式对其加锁的线程都可以得到访问权，但是如果想以写模式对其加锁，线程将阻塞。这样也有问题，如果读者很多，那么写者将会长时间等待，如果有线程尝试以写模式加锁，那么后续的读线程将会被阻塞，这样可以避免锁长期被读者占有。

shared_mutex

　　C++17起。
　　shared_mutex 类是一个同步原语，可用于保护共享数据不被多个线程同时访问。与便于独占访问的其他互斥类型不同，shared_mutex 拥有二个访问级别：共享 - 多个线程能共享同一互斥的所有权；独占性 - 仅一个线程能占有互斥。

• 若一个线程已经通过lock或try_lock获取独占锁（写锁），则无其他线程能获取该锁（包括共享的）。尝试获得读锁的线程也会被阻塞。
• 仅当任何线程均未获取独占性锁时，共享锁（读锁）才能被多个线程获取（通过 lock_shared 、try_lock_shared ）。
• 在一个线程内，同一时刻只能获取一个锁（共享或独占性）。

　　成员函数主要包含两大类：排他性锁定（写锁）和共享锁定（读锁）。

　　排他性锁定

　　lock锁定互斥。若另一线程已锁定互斥，则lock的调用线程将阻塞执行，直至获得锁。若已以任何模式（共享或排他性）占有 mutex 的线程调用 lock ，则行为未定义。也就是说，已经获得读模式锁或者写模式锁的线程再次调用lock的话，行为是未定义的。注意：通常不直接使用std::shared_mutex::lock()，而是通过unique_lock或者lock_guard进行管理。

　　unlock解锁互斥。互斥必须为当前执行线程所锁定，否则行为未定义。如果当前线程不拥有该互斥还去调用unlock，那么就不知道去unlock谁，行为是未定义的。注意：通常不直接调用 unlock() 而是用 std::unique_lock 与 std::lock_guard 管理排他性锁定。

　　共享锁定

　　std::shared_mutex::lock_shared。相比mutex，shared_mutex还拥有lock_shared函数。该函数获得互斥的共享所有权。若另一线程以排他性所有权保有互斥，则lock_shared的调用者将阻塞执行，直到能取得共享所有权。若已以任何模式（排他性或共享）占有 mutex 的线程调用 lock_shared ，则行为未定义。即：当以读模式或者写模式拥有锁的线程再次调用lock_shared时，行为是未定义的，可能产生死锁。若多于实现定义最大数量的共享所有者已以共享模式锁定互斥，则 lock_shared 阻塞执行，直至共享所有者的数量减少。所有者的最大数量保证至少为 10000。注意：通常不直接调用 lock_shared() 而是用 std::shared_lock 管理共享锁定。shared_lock与unique_lock的使用方法类似。

　　std::shared_mutex::unlock_shared。将互斥从调用方线程的共享所有权释放。当前执行线程必须以共享模式锁定互斥，否则行为未定义。通常不直接调用 unlock_shared() 而是用 std::shared_lock 管理共享锁定。

 shared_lock

　　C++14起。
　　类 shared_lock 是通用共享互斥所有权包装器（unique_lock则是独占互斥所有权包装器），允许延迟锁定、定时锁定和锁所有权的转移。锁定 shared_lock，会以共享模式锁定关联的共享互斥（std::unique_lock 可用于以排他性模式锁定）。

• std::shared_lock<Mutex>::lock以共享模式锁定关联互斥。等效于调用 mutex()->lock_shared();
• std::shared_lock<Mutex>::try_lock尝试以共享模式锁定关联互斥而不阻塞。等效于调用 mutex()->try_lock_shared()。若无关联互斥，或互斥已被锁定，则抛出 std::system_error 。
• std::shared_lock<Mutex>::unlock从共享模式解锁关联互斥。等效于调用 mutex()->unlock_shared()。

示例

#include <iostream>
#include <mutex>    //unique_lock
#include <shared_mutex> //shared_mutex shared_lock
#include <thread>

std::mutex mtx;

class ThreadSaferCounter
{
private:
    mutable std::shared_mutex mutex_;
    unsigned int value_ = 0;
public:
    ThreadSaferCounter(/* args */) {};
    ~ThreadSaferCounter() {};
    
    unsigned int get() const {
        //读者, 获取共享锁, 使用shared_lock
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lck(mutex_);//执行mutex_.lock_shared();
        return value_;  //lck 析构, 执行mutex_.unlock_shared();
    }

    unsigned int increment() {
        //写者, 获取独占锁, 使用unique_lock
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lck(mutex_);//执行mutex_.lock();
        value_++;   //lck 析构, 执行mutex_.unlock();
        return value_;
    }

    void reset() {
        //写者, 获取独占锁, 使用unique_lock
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lck(mutex_);//执行mutex_.lock();
        value_ = 0;   //lck 析构, 执行mutex_.unlock();
    }
};
ThreadSaferCounter counter;
void reader(int id){
    while (true)
    {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        std::unique_lock<std::mutex> ulck(mtx);//cout也需要锁去保护, 否则输出乱序
        std::cout << "reader #" << id << " get value " << counter.get() << "
";
    }    
}

void writer(int id){
    while (true)
    {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        std::unique_lock<std::mutex> ulck(mtx);//cout也需要锁去保护, 否则输出乱序
        std::cout << "writer #" << id << " write value " << counter.increment() << "
";
    }
}

int main()
{
    std::thread rth[10];
    std::thread wth[10];
    for(int i=0; i<10; i++){
        rth[i] = std::thread(reader, i+1);
    }
    for(int i=0; i<10; i++){
        wth[i] = std::thread(writer, i+1);
    }

    for(int i=0; i<10; i++){
        rth[i].join();
    }
    for(int i=0; i<10; i++){
        wth[i].join();
    }
    return 0;
}