嵌入式Linux：线程同步（读写锁）

目录

1、读写锁的初始化

2、销毁读写锁

3、读写锁加锁与解锁

4、读写锁的属性

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在Linux中，读写锁（Read-Write Lock）提供了一种同步机制，允许多个线程并发读取共享资源，但只有一个线程可以对该资源进行写操作。读写锁相比互斥锁（mutex）或自旋锁（spinlock）具有更高的并行性，因为它有三种状态：读加锁状态、写加锁状态和不加锁状态。

读写锁的规则和状态：

• 写模式加锁状态：当一个线程获取写锁时，其他所有试图获取该锁的线程（无论是读锁还是写锁）都会被阻塞，直到写锁被释放。

• 读模式加锁状态：当线程获取读锁时，其他试图获取读锁的线程可以并发成功获取锁，但任何试图获取写锁的线程会被阻塞，直到所有读锁被释放。

读写锁的使用场景：

• 适用于读操作频繁且写操作较少的情况，这样能够允许多线程并发读取，减少锁的竞争，提高系统的效率。
• 当需要保护一个共享数据结构，同时支持多个线程读，但限制只有一个线程写时，读写锁是比简单的互斥锁更好的选择。

1、读写锁的初始化

在使用读写锁之前，必须对其进行初始化。Linux使用pthread_rwlock_t数据类型来表示读写锁，初始化方式有以下两种：

静态初始化：

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

动态初始化 ： 使用pthread_rwlock_init()函数初始化：

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);

参数说明：

• rwlock：指向需要初始化的读写锁对象（类型为pthread_rwlock_t）。
• attr：指向读写锁属性的指针（类型为pthread_rwlockattr_t），可以设置为NULL，表示使用默认属性。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码，如：
  • EINVAL：表示无效的属性值或锁对象。
  • EBUSY：锁已初始化。
  • ENOMEM：系统内存不足。

2、销毁读写锁

当不再需要使用读写锁时，应该使用pthread_rwlock_destroy()销毁它。函数原型如下：

#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数说明：

• rwlock：指向需要销毁的读写锁对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码，如：EBUSY：锁被其他线程持有。

3、读写锁加锁与解锁

以读模式加锁，该函数会阻塞调用线程，直到能够成功获取读锁。如果已经有其他线程持有写锁，当前线程将会等待。

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数说明：

• rwlock：指向需要加锁的读写锁对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码，如：
  • EINVAL：无效的锁。
  • EDEADLK：检测到死锁。
  • EAGAIN：系统无法分配更多的读锁。

以写模式加锁，该函数会阻塞调用线程，直到能够成功获取写锁。只有当前线程能够获取写锁，其他所有请求锁的线程（无论是读锁还是写锁）都会被阻塞。

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数说明：

• rwlock：指向需要加锁的读写锁对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码，如：
  • EINVAL：无效的锁。
  • EDEADLK：检测到死锁。

尝试获取读锁，该函数尝试获取读锁，不会阻塞。如果锁被其他线程占用，立即返回失败。

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数说明：

• rwlock：指向需要加锁的读写锁对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回EBUSY表示锁已被占用，当前无法获取。

尝试获取写锁，该函数尝试获取写锁，不会阻塞。如果锁被其他线程占用，立即返回失败。

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数说明：

• rwlock：指向需要加锁的读写锁对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回EBUSY表示锁已被占用，当前无法获取。

该函数用于释放当前线程持有的锁，无论是读锁还是写锁。

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

参数说明：

• rwlock：指向需要解锁的读写锁对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码，如：
  • EINVAL：无效的锁对象。
  • EPERM：当前线程未持有该锁。

4、读写锁的属性

读写锁也可以有属性，使用pthread_rwlockattr_t数据类型来表示。

初始化读写锁属性函数原型：

int pthread_rwlockattr_init(pthread_rwlockattr_t *attr);

参数说明：

• attr：指向需要初始化的读写锁属性对象。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码。

读写锁的属性中最常见的是进程共享属性，使用以下函数设置或获取：

int pthread_rwlockattr_setpshared(pthread_rwlockattr_t *attr, int pshared);

参数说明：

• attr：指向需要设置的读写锁属性对象。
• pshared：共享属性的值。取值如下：
  • PTHREAD_PROCESS_SHARED：允许多个进程共享该读写锁。
  • PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：仅限当前进程的线程共享读写锁（默认值）。

返回值：

• 成功返回0。
• 失败返回非0错误码。

以下代码展示了如何在读写锁的保护下，允许多个线程并发读取共享资源，但只有一个线程可以修改它：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_rwlock_t rwlock;
int shared_data = 0;

void *reader(void *arg) {
    pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);  // 获取读锁
    printf("Reader: Shared data is %d\n", shared_data);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  // 解锁
    return NULL;
}

void *writer(void *arg) {
    pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);  // 获取写锁
    shared_data += 1;
    printf("Writer: Updated shared data to %d\n", shared_data);
    pthread_rwlock_unlock(&rwlock);  // 解锁
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t r1, r2, w1;

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);  // 初始化读写锁

    pthread_create(&r1, NULL, reader, NULL);
    pthread_create(&w1, NULL, writer, NULL);
    pthread_create(&r2, NULL, reader, NULL);

    pthread_join(r1, NULL);
    pthread_join(w1, NULL);
    pthread_join(r2, NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);  // 销毁读写锁
    return 0;
}

Linux中的读写锁适用于提高读密集型应用的并发性。它能够让多个线程同时读取资源，从而减少锁争用，但也需要合理考虑写饥饿问题。注意事项如下：

• 读写锁的潜在问题：如果读操作过于频繁，可能导致写线程长时间无法获取写锁，从而引发写饥饿问题。这通常需要通过其他机制（如优先级）来控制。
• 使用场景：当读操作远多于写操作时，读写锁能带来性能提升。如果写操作频繁，读写锁可能并不会比互斥锁表现更好。