线程同步之利器(2)——区域锁(Scoped locking)
2016-05-14 22:24
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什么是区域锁
确切的说,区域锁(Scoped locking)不是一种锁的类型,而是一种锁的使用模式(pattern)。这个名词是Douglas C. Schmidt于1998年在其论文Scoped Locking提出,并在ACE框架里面使用。但作为一种设计思想,这种锁模式应该在更早之前就被业界广泛使用了。区域锁实际上是RAII模式在锁上面的具体应用。RAII(Resource Acquisition Is Initialization)翻译成中文叫“资源获取即初始化”,最早是由C++的发明者Bjarne
Stroustrup为解决C++中资源分配与销毁问题而提出的。RAII的基本含义就是:C++中的资源(例如内存,文件句柄等等)应该由对象来管理,资源在对象的构造函数中初始化,并在对象的析构函数中被释放。STL中的智能指针就是RAII的一个具体应用。RAII在C++中使用如此广泛,甚至可以说,不会RAII的裁缝不是一个好程序员。
问题提出
先看看下面这段程序,Cache是一个可能被多个线程访问的缓存类,update函数将字符串value插入到缓存中,如果插入失败,则返回-1。[cpp]
view plain
copy
Cache *cache = new Cache;
ThreadMutex mutex;
int update(string value)
{
mutex.lock();
if (cache == NULL)
{
mutex.unlock();
return -1;
}
If (cache.insert(value) == -1)
{
mutex.unlock();
return -1;
}
mutex.unlock();
return 0;
}
从这个程序中可以看出,为了保证程序不会死锁,每次函数需要return时,都要需要调用unlock函数来释放锁。不仅如此,假设cache.insert(value)函数内部突然抛出了异常,程序会自动退出,锁仍然能不会释放。实际上,不仅仅是return,程序中的goto, continue, break语句,以及未处理的异常,都需要程序员检查锁是否需要显示释放,这样的程序是极易出错的。
同样的道理,不仅仅是锁,C++中的资源释放都面临同样的问题。例如前一阵我在阅读wget源码的时候,就发现虽然一共只有2万行C代码,但是至少有5处以上的return语句忘记释放内存,因此造成了内存泄露。
区域锁的实现
但是自从C++有了有可爱的RAII设计思想,资源释放问题就简单了很多。区域锁就是把锁封装到一个对象里面。锁的初始化放到构造函数,锁的释放放到析构函数。这样当锁离开作用域时,析构函数会自动释放锁。即使运行时抛出异常,由于析构函数仍然会自动运行,所以锁仍然能自动释放。一个典型的区域锁[cpp]
view plain
copy
class Thread_Mutex_Guard
{
public:
Thread_Mutex_Guard (Thread_Mutex &lock)
: lock_ (&lock)
{
// 如果加锁失败,则返回-1
owner_= lock_->lock();
}
~Thread_Mutex_Guard (void)
{
// 如果锁获取失败,就不释放
if (owner_ != -1)
lock_->unlock ();
}
private:
Thread_Mutex *lock_;
int owner_;
};
将策略锁应用到前面的update函数如下
[cpp]
view plain
copy
Cache *cache = new Cache;
ThreadMutex mutex;
int update(string value)
{
Thread_Mutex_Guard (mutex)
if (cache == NULL)
{
return -1;
}
If (cache.insert(value) == -1)
{
return -1;
}
return 0;
}
基本的区域锁就这么简单。如果觉得这样锁的力度太大,可以用中括号来限定锁的作用区域,这样就能控制锁的力度。如下
[cpp]
view plain
copy
{
Thread_Mutex_Guard guard (&lock);
...............
// 离开作用域,锁自动释放
}
区域锁的改进方案
上面设计的区域锁一个缺点是灵活行,除非离开作用域,否则不能够显式释放锁。如果为一个区域锁增加显式释放接口,一个最突出的问题是有可能会造成锁的二次释放,从而引发程序错误。例如
[cpp]
view plain
copy
{
Thread_Mutex_Guard guard (&lock);
If (…)
{
//显式释放(第一次释放)
guard.release();
// 自动释放(第二次释放)
return -1;
}
}
为了避免二次释放锁引发的错误,区域锁需要保证只能够锁释放一次。一个改进的区域锁如下:
[cpp]
view plain
copy
class Thread_Mutex_Guard
{
public:
Thread_Mutex_Guard (Thread_Mutex &lock)
: lock_ (&lock)
{
acquire();
}
int acquire()
{
// 加锁失败,返回-1
owner_= lock_->lock();
return owner;
}
~Thread_Mutex_Guard (void)
{
release();
}
int release()
{
// 第一次释放
if (owner_ != -1)
{
owner = -1;
return lock_->unlock ();
}
// 第二次释放
return 0;
}
private:
Thread_Mutex *lock_;
int owner_;
};
可以看出,这种方案在加锁失败或者锁的多次释放情况下,不会引起程序的错误。
缺点:
区域锁固然好使,但也有不可避免的一些缺点(1) 对于非递归锁,有可能因为重复加锁而造成死锁。
(2) 线程的强制终止或者退出,会造成区域锁不会自动释放。应该尽量避免这种情形,或者使用一些特殊的错误处理设计来确保锁会释放。
(3) 编译器会产生警告说有变量只定义但没有使用。有些编译器选项甚至会让有警告的程序无法编译通过。在ACE中,为了避免这种情况,作者定义了一个宏如下
#define UNUSED_ARG(arg) { if (&arg) /* null */; }
使用如下:
[cpp]
view plain
copy
Thread_Mutex_Guard guard (lock_);
UNUSED_ARG (guard);
这样编译器就不会再警告了。
扩展阅读:小技巧--如何在C++中实现Java的synchronized关键字
借助于区域锁的思想,再定义一个synchronized宏,可以在C++中实现类似Java中的synchronized关键字功能。链接:http://www.codeproject.com/KB/threads/cppsyncstm.aspx
下篇文章中,我们将介绍一下双检测锁(DCL)。
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