Introduction to C++ multithread Part 4-2
January 02, 2017打鐵要趁熱 來看multithread第二常見的example
Read/Write Lock
How to make a multiple-read/single-write lock
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>
using namespace std;
class RWLock {
public:
RWLock()
: shared()
, readerQ(), writerQ()
, active_readers(0), waiting_writers(0), active_writers(0){}
bool no_one_writing(){
return active_readers > 0 || active_writers == 0;
}
bool no_one_read_and_no_one_write(){
return active_readers == 0 && active_writers == 0;
}
void ReadLock() {
std::unique_lock<std::mutex> lk(shared);
readerQ.wait(lk, bind(&RWLock::no_one_writing, this));
++active_readers;
lk.unlock();
}
void ReadUnlock() {
std::unique_lock<std::mutex> lk(shared);
--active_readers;
lk.unlock();
writerQ.notify_one();
}
void WriteLock() {
std::unique_lock<std::mutex> lk(shared);
++waiting_writers;
writerQ.wait(lk, bind(&RWLock::no_one_read_and_no_one_write, this));
--waiting_writers;
++active_writers;
lk.unlock();
}
void WriteUnlock() {
std::unique_lock<std::mutex> lk(shared);
--active_writers;
if(waiting_writers > 0)
writerQ.notify_one();
else
readerQ.notify_all();
lk.unlock();
}
private:
std::mutex shared;
std::condition_variable readerQ;
std::condition_variable writerQ;
int active_readers;
int waiting_writers;
int active_writers;
};
int result = 0;
void func(RWLock &rw, int i){
if(i % 2 == 0){
rw.WriteLock();
result += 1;
rw.WriteUnlock();
rw.ReadLock();
rw.ReadUnlock();
}else{
rw.ReadLock();
rw.ReadUnlock();
rw.WriteLock();
result += 2;
rw.WriteUnlock();
}
}
void not_safe(int i){
if(i%2 == 0){
result += 1;
}else{
result += 2;
}
}
int main(){
RWLock rw;
std::vector<std::thread> threads;
for(int i = 0; i < 1000; i++){
threads.push_back(std::thread(func, ref(rw), i));
//threads.push_back(std::thread(not_safe, i));
}
for(int i = 0; i < threads.size() ; i++)
{
threads[i].join();
}
cout << result << endl;
return 0;
}老話一句 跑起來加速理解
main裡面initiliza一個rw lock 把他丟給所有的thread 注意這裡要用reference丟 這樣所有thread才會用到同一個rw lock
func也簡單 就是要改動result前call WriteLock 改完後call WriteUnlock
Read/Write Lock Deep dive
RWLock這個data structure裡面有一個共用的mutex 跟兩個condition variable readerQ跟writerQ
active_readers, waiting_writers, active_writers 是紀錄現在的state的變數
基本上就是4個function
- ReadLock
- ReadUnlock
- WriteLock
- WriteUnlock
ReadLock:
1.Acquire lock
2.確認condition 不該做事的話就進CV wait 該做事就往下走 這裏的寫法只是比較fancy一點 但下列這兩個寫法是等價的
while (!f()) {
wait(lk);
}wait(lk, f)第一個寫法是我Part4-1的寫法 對初學者比較好懂 但要用第二個寫法的話 就把那個function解讀成wait until f 雖然比較難理解但第二個寫法漂亮一些 就可以把判斷要不要做事的logic寫在另一個function而不是全部塞進while的condition
至於bind和this是什麼意思 有興趣可以詳讀這篇文章 淺談C++ bind function 在這裏先把它看成
readerQ.wait(lk, no_one_writing);3.所以ReadLock要做事的condition 就是沒人在寫或是有人在讀 這個情況下就可以安心進去讀
4.把active_reader++
5.解鎖(optional)
ReadUnLock:
1.Acquire lock
2.改變shared data
3.解鎖(optional)
4.去叫writer thread queue的一個writer thread起床
WriteLock:
1.Acquire lock
2.讓自己先去等waiting_writer++;
3.確認condition 不該做事的話就進CV wait 該做事就往下走 這裏的condition是沒有人讀而且沒有人寫 那我就可以安心write
4.--waiting_writers, ++active_writers, 讓所有人知道有人在寫
5.解鎖(optional)
WriteUnLock:
1.Acquire lock
2.改變shared data
3.確認現在的state 如果有writer再等 叫一個writer起床 如果沒有人在等 去叫reader thread queue的所有reader thread起床 因為我們默許 多個reader可以同時read 所以就是個部隊起床的概念
4.解鎖(optional)
講解到這邊 我還寫了個不安全的版本 只要把main裡面的第一個for loop改一下thread call的function就可以
for(int i = 0; i < 1000; i++){
threads.push_back(std::thread(not_safe, i));
}
打完收工 問問題時間 如果你夠認真的話 你應該會有兩個問題
Q1. 為什麼ReadUnlock的時候是先解鎖再notify 但WriteUnlock是先notify在解鎖呢
A1. 好問題 因為WriterUnLock在判斷要notify誰的時候 需要access shared data, 所以不能把鎖放掉
Q2. 既然你reader拿鎖的條件 其中一個是active_reader > 0, 那如果reader thread很多的話 很有可能active_reader會一直不為0 writer可能永遠拿不到鎖怎麼辦
A2. Perfect question! 如果你沒念過read/write lock但卻能自己想到這問題 那代表說你極為聰明
本篇文章的實作是Read-preferring的RW Lock 每當有新的reader進來 他發現有人在read 那他也跟著read 都不管writer受得了受不了
所以可能writer會starve
那Write-preferring的RW Lock怎麼改呢 很簡單 就改變reader做事的condition即可
bool no_one_writing(){
return waiting_writers == 0 && active_writers == 0;
}這樣reader就會等到沒有人寫也沒有人等著寫的時候 才會read 只要有writer來 writer之後的reader都要等
當然你可以定義自己的application想怎麼玩 你也可以在WriterUnlock的時候先判斷有沒有waiting_readers 有的話先notify_readerQ 或是你可以限定最多同時有多少個reader在read 隨便你愛怎麼玩就怎麼玩 只是可能需要更多variable記錄現在的state 然後記得要更動這些state variable的時候鎖要拿著就好了
恭喜你已經通透了multi-thread最難的部分 相信之後不論是任何語言的multi-thread問題你都能快速上手