C++实现读写锁（RWLock）的饥饿问题（Starvation）预防与公平性保证 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

C++读写锁(RWLock)的饥饿问题预防与公平性保证

各位同学们，大家好。今天我们来深入探讨一个并发编程中常见但又容易被忽视的问题：读写锁（RWLock）的饥饿问题，以及如何通过一些策略来预防和保证读写锁的公平性。

读写锁是一种并发控制机制，它允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。这种锁在读操作远多于写操作的场景下，可以显著提高并发性能。然而，如果设计不当，读写锁可能会导致写线程饥饿，甚至完全无法获取锁，从而影响系统的稳定性和响应速度。

什么是饥饿问题？

饥饿问题（Starvation）是指一个或多个线程因为某种原因，长时间甚至永远无法获得所需的资源，导致其无法执行。在读写锁的上下文中，写线程饥饿通常发生在以下情况：

读者优先策略： 当有读线程正在持有读锁时，如果有新的读线程请求读锁，那么它可以立即获得锁，而无需等待。这种策略在读操作频繁的情况下可以提高并发性，但如果读线程持续不断地到达，写线程可能永远无法获得锁，导致写线程饥饿。
锁释放机制不公平： 即使采用某种公平策略，如果锁的释放机制不合理，也可能导致某些线程一直无法获得锁。

读者优先策略下的饥饿问题案例

为了更直观地理解读者优先策略下的饥饿问题，我们来看一个简单的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>
#include <chrono>

std::shared_mutex rw_mutex;

void reader(int id) {
    while (true) {
        rw_mutex.lock_shared();
        std::cout << "Reader " << id << " is reading" << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        rw_mutex.unlock_shared();
    }
}

void writer(int id) {
    while (true) {
        rw_mutex.lock();
        std::cout << "Writer " << id << " is writing" << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
        rw_mutex.unlock();
    }
}

int main() {
    std::thread readers[5];
    std::thread writer1(writer, 1);

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        readers[i] = std::thread(reader, i + 1);
    }

    writer1.join(); // 永远无法join，因为writer可能一直无法获取锁
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        readers[i].join();
    }

    return 0;
}

在这个例子中，我们创建了5个读线程和一个写线程。读线程不断地获取读锁并读取数据，写线程不断地获取写锁并写入数据。由于读线程的持续存在，写线程很可能永远无法获得写锁，导致写线程饥饿。

预防饥饿问题的策略

为了解决读写锁的饥饿问题，我们可以采用以下几种策略：

写者优先策略（Writer Preference）： 当有读线程正在持有读锁时，如果有写线程请求写锁，那么后续的读线程必须等待，直到写线程完成。这种策略可以保证写线程不会被饿死，但可能会降低并发性。
公平策略（Fairness）： 按照线程请求锁的先后顺序来分配锁。这种策略可以保证每个线程都有机会获得锁，但可能会降低并发性。
条件变量（Condition Variable）： 使用条件变量来显式地控制读写锁的获取和释放，从而实现更复杂的公平性策略。

下面我们将详细介绍这几种策略，并给出相应的 C++ 代码实现。

1. 写者优先策略的实现

写者优先策略的核心思想是：当有写线程等待时，阻止新的读线程获取读锁。一种简单的实现方式是使用一个计数器来记录等待写线程的数量。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
#include <condition_variable>

class WriterPreferredRWLock {
private:
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable read_cv_;
    std::condition_variable write_cv_;
    int readers_ = 0;
    int writers_waiting_ = 0;
    bool writer_active_ = false;

public:
    void lock_shared() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (writer_active_ || writers_waiting_ > 0) {
            read_cv_.wait(lock);
        }
        readers_++;
    }

    void unlock_shared() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        readers_--;
        if (readers_ == 0) {
            write_cv_.notify_one();
        }
    }

    void lock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        writers_waiting_++;
        while (readers_ > 0 || writer_active_) {
            write_cv_.wait(lock);
        }
        writers_waiting_--;
        writer_active_ = true;
    }

    void unlock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        writer_active_ = false;
        write_cv_.notify_one();
        read_cv_.notify_all();
    }
};

代码解释：

readers_: 记录当前持有读锁的线程数量。
writers_waiting_: 记录正在等待写锁的线程数量。
writer_active_: 标记是否有写线程正在持有写锁。
read_cv_: 读线程等待的条件变量。
write_cv_: 写线程等待的条件变量。

lock_shared() (获取读锁):

首先获取互斥锁 mutex_。
如果当前有写线程正在活动 (writer_active_) 或者有写线程正在等待 (writers_waiting_ > 0)，则读线程进入等待状态，直到 read_cv_ 被唤醒。
如果可以获取读锁，则 readers_ 计数器加 1。

unlock_shared() (释放读锁):

首先获取互斥锁 mutex_。
readers_ 计数器减 1。
如果 readers_ 变为 0，表示没有读线程持有读锁，则唤醒一个等待的写线程 (write_cv_.notify_one())。

lock() (获取写锁):

首先获取互斥锁 mutex_。
writers_waiting_ 计数器加 1。
如果当前有读线程持有读锁 (readers_ > 0) 或者有写线程正在活动 (writer_active_)，则写线程进入等待状态，直到 write_cv_ 被唤醒。
如果可以获取写锁，则 writers_waiting_ 计数器减 1，并设置 writer_active_ 为 true。

unlock() (释放写锁):

首先获取互斥锁 mutex_。
设置 writer_active_ 为 false。
唤醒一个等待的写线程 (write_cv_.notify_one()) 和所有等待的读线程 (read_cv_.notify_all())。

优点： 保证写线程不会被饿死。

缺点： 降低了并发性，因为即使没有写线程等待，新的读线程也必须等待已经存在的读线程释放锁。

2. 公平策略的实现

公平策略的实现通常需要维护一个等待队列，按照线程请求锁的先后顺序来分配锁。一种简单的实现方式是使用 std::queue 来维护等待队列。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

class FairRWLock {
private:
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable read_cv_;
    std::condition_variable write_cv_;
    int readers_ = 0;
    bool writer_active_ = false;

    enum class LockType { READ, WRITE };

    std::queue<LockType> waiting_queue_;

public:
    void lock_shared() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        waiting_queue_.push(LockType::READ);
        while (writer_active_ || (!waiting_queue_.empty() && waiting_queue_.front() != LockType::READ)) {
            read_cv_.wait(lock);
        }
        waiting_queue_.pop();
        readers_++;
    }

    void unlock_shared() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        readers_--;
        if (readers_ == 0) {
            if (!waiting_queue_.empty()) {
                if (waiting_queue_.front() == LockType::WRITE) {
                    write_cv_.notify_one();
                } else {
                    read_cv_.notify_all(); // Notify all waiting readers if next in queue is also a reader.
                }
            }
        }
    }

    void lock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        waiting_queue_.push(LockType::WRITE);
        while (readers_ > 0 || writer_active_ || (!waiting_queue_.empty() && waiting_queue_.front() != LockType::WRITE)) {
            write_cv_.wait(lock);
        }
        waiting_queue_.pop();
        writer_active_ = true;
    }

    void unlock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        writer_active_ = false;
        if (!waiting_queue_.empty()) {
            if (waiting_queue_.front() == LockType::WRITE) {
                write_cv_.notify_one();
            } else {
                read_cv_.notify_all();
            }
        }
    }
};

代码解释：

waiting_queue_: 维护一个请求锁的队列，按照请求的先后顺序排列。
LockType: 枚举类型，表示读锁或写锁。

lock_shared() (获取读锁):

将 LockType::READ 加入等待队列。
如果当前有写线程正在活动，或者等待队列的头部不是读锁，则等待。
从等待队列中移除读锁请求，readers_ 加 1。

unlock_shared() (释放读锁):

readers_ 减 1。
如果 readers_ 为 0，检查等待队列，唤醒下一个等待的线程（读线程或写线程）。

lock() (获取写锁):

将 LockType::WRITE 加入等待队列。
如果当前有读线程正在活动，或者有写线程正在活动，或者等待队列的头部不是写锁，则等待。
从等待队列中移除写锁请求，设置 writer_active_ 为 true。

unlock() (释放写锁):

设置 writer_active_ 为 false。
检查等待队列，唤醒下一个等待的线程（读线程或写线程）。

优点： 保证每个线程都有机会获得锁，避免饥饿问题。

缺点： 降低了并发性，因为即使可以并发执行读操作，也需要按照请求的先后顺序来分配锁。

3. 使用条件变量的更细粒度控制

除了上述两种策略外，我们还可以使用条件变量来显式地控制读写锁的获取和释放，从而实现更复杂的公平性策略。这种方法更加灵活，可以根据具体的应用场景进行定制。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
#include <condition_variable>

class AdvancedRWLock {
private:
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable read_cv_;
    std::condition_variable write_cv_;
    int readers_ = 0;
    int writers_waiting_ = 0;
    bool writer_active_ = false;

public:
    void lock_shared() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        while (writer_active_ || writers_waiting_ > 0) {
            read_cv_.wait(lock);
        }
        readers_++;
    }

    void unlock_shared() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        readers_--;
        if (readers_ == 0) {
            write_cv_.notify_one(); // Give priority to waiting writers
        }
    }

    void lock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        writers_waiting_++;
        while (readers_ > 0 || writer_active_) {
            write_cv_.wait(lock);
        }
        writers_waiting_--;
        writer_active_ = true;
    }

    void unlock() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        writer_active_ = false;
        if (writers_waiting_ > 0) {
            write_cv_.notify_one(); // Give priority to waiting writers
        } else {
            read_cv_.notify_all(); // Allow multiple readers to proceed
        }
    }
};

这个例子和写者优先策略的实现非常相似，但是更加灵活，可以根据具体的需求进行调整。例如，可以根据等待时间来调整线程的优先级，或者根据系统负载来动态调整策略。

各种策略的对比

为了更清晰地了解各种策略的优缺点，我们用一个表格来总结一下：

策略	优点	缺点
读者优先	并发性高，读操作性能好	写线程容易饥饿
写者优先	保证写线程不会被饿死	降低并发性，即使没有写线程等待，新的读线程也必须等待
公平策略	保证每个线程都有机会获得锁，避免饥饿问题	降低并发性，需要维护等待队列
条件变量控制	灵活性高，可以根据具体的应用场景进行定制	实现复杂，需要仔细设计

选择合适的策略

选择合适的读写锁策略需要根据具体的应用场景进行权衡。

读操作远多于写操作，且对写操作的响应时间要求不高： 可以选择读者优先策略。但是需要注意监控写线程的饥饿情况，并采取相应的措施。
读操作和写操作的比例接近，或者对写操作的响应时间要求较高： 可以选择写者优先策略或公平策略。
需要更复杂的公平性策略，或者需要根据系统负载来动态调整策略： 可以使用条件变量来显式地控制读写锁的获取和释放。

小结

今天我们讨论了读写锁的饥饿问题，以及如何通过写者优先策略、公平策略和条件变量控制等方法来预防饥饿问题，保证读写锁的公平性。选择合适的策略需要根据具体的应用场景进行权衡，以达到最佳的并发性能和公平性。希望今天的讲解对大家有所帮助。

通过本文的学习，我们了解了读写锁的饥饿问题，以及如何通过不同的策略来解决这个问题。关键在于理解各种策略的优缺点，并根据实际的应用场景做出选择。

我们学习了三种策略：读者优先、写者优先和公平策略。每种策略都有其适用的场景，我们需要根据实际情况选择合适的策略，以达到最佳的并发性能和公平性。

希望大家在实际的并发编程中，能够灵活运用这些知识，写出高效、稳定的代码。

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