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Win32环境下两种用于C++的线程同步类（下）

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Win32环境下两种用于C++的线程同步类（下）

作者：songthin 来源：CSDN 2007年12月23日

关键字： 线程同步类 C++ Win32 Linux

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上一篇中我介绍了一种通过封闭Critical Section对象而方便的使用互斥锁的方式，文中所有的例子是两个线程对同一数据一读一写，因此需要让它们在这里互斥，不能同时访问。而在实际情况中可能会有更复杂的情况出现，就是多个线程访问同一数据，一部分是读，一部分是写。我们知道只有读-写或写-写同时进行时可能会出现问题，而读-读则可以同时进行，因为它们不会对数据进行修改，所以也有必要在C++中封装一种方便的允许读-读并发、读-写与写-写互斥的锁。要实现这种锁，使用临界区就很困难了，不如改用内核对象，这里我使用的是互斥量（Mutex）。
总体的结构与上一篇中的类似，都是写出一个对锁进行封装的基类，再写一个用于调用加、解锁函数的类，通过对第二个类的生命周期的管理实现加锁和解锁。这里涉及到两个新问题，一是加锁、解锁动作都有两种，一种是加/解读锁，一种是加/解写锁；二是为了允许读-读并发，这里只声明一个Mutex是不够的，必须要声明多个Mutex，而且有多少个Mutex就同时允许多少个读线程并发，之所以这么说，是因为我们要使用的API函数是WaitForMultipleObjects。
WaitForMultipleObjects函数的功能就是等待对象状态被设置，MSDN中对它的说明为：
Waits until one or all of the specified objects are in the signaled state or the time-out interval elapses.
这是个很好用的函数，我们可以用它来等待某个或某几个对象，并且允许设置超时时间，等待成功时与超时时返回的值是不同的。如果返回的值比WAIT_ABANDONED小则表示等待成功。“等待成功”对于不同类型的内核对象有不同的意义，例如对于进程或线程对象，等待成功就表示进程或线程执行结束了；对于互斥量对象，则表示此对象现在不被任何其他线程拥有，并且一旦等待成功，当前线程即拥有了此互斥量，其他线程则不能同时拥有，直接调用ReleaseMutex函数主动释放互斥量。
与WaitForMultipleObjects类似的还有一个函数WaitForSingleObject，它的功能比较简单，只针对单一个对象，而WaitForMultipleObjects可以同时等待多个对象，并且可以设置是否等待所有对象。
上一篇文章中用的InstanceLockBase类里面封装了一个Critical Section对象，这里则要封装一组Mutex的Handle，那么这一组是多少个呢？它应该由使用此类的程序中定义，例如可以用动态数组的方法：
//基类：
       class RWLockBase //表示Read/Write Lock
       {
              HANDLE* handles;
       protected:
              RWLockBase(int handleCount) { handles = new HANDLE[handleCount]; }
              …
       };
//子类：
       class MyClass: public RWLockBase      
       {
              MyClass(): RWLockBase(3) {}
              …
       };
这确实是个不错的办法，通过在子类构造函数的初始化段中调用基类构造函数并传参，使得这个动态数组得以正确初始化，不过这样看着不太爽，子类必须两次出现“RWLockBase”一词，能不能像InstanceLockBase那样只要继承了就好呢？答案是肯定的，只要用C++模板即可：
       template <int maxReadCount>
       class RWLockBase
       {
              HANDLE handles[maxReadCount];
              …
       };
使用模板附带这么一个好处，因为模板参数是在编译期可以确定的，所以无需再用动态数组，直接在栈上分配即可。而使用模板引出一个新问题，就是相应的Lock类（RWLock）在构造时传的对象指针时的类型声明，直接写成RWLock(RWLockBase* pObj)肯定是不行的，因为必须指定模板参数，并且其值还必须与声明RWLockBase时所指定的值一致才行，从而客户端代码就必须两次指定模板参数值，不爽！解决的办法也是有一个，就是把RWLockBase变成夹层类，为它再声明一个基类，让RWLock接收的是基类指针，并把Lock、Unlock等函数放在基类中，声明为纯虚函数，实现写在夹层类中：
class _RWLockBase
{
       friend class RWLock;
protected:
       virtual DWORD ReadLock(int timeout) = 0;
       virtual void ReadUnlock(int handleIndex) = 0;
       virtual DWORD WriteLock(int timeout) = 0;
       virtual void WriteUnlock() = 0;
};
模板类RWLockBase从_RWLockBase继承，并对四个函数写出实现：
template <int maxReadCount = 3>        //这里给一个缺省参数，尽量减少客户端代码量
class RWLockBase: public _RWLockBase
{
       HANDLE handles[maxReadCount];
       DWORD ReadLock(int timeout)   //加读锁，只要等到一个互斥量返回即可
       {
              return ::WaitForMultipleObjects(maxReadCount, handles, FALSE, timeout);
       }
       void ReadUnlock(int handleIndex) //解读锁，释放已获得的互斥量
       {
              ::ReleaseMutex(handles[handleIndex]);
       }
       DWORD WriteLock(int timeout)   //加写锁，等到所有互斥量，从而与其他所有线程互斥
       {
              return ::WaitForMultipleObjects(maxReadCount, handles, TRUE, timeout);
       }
       void WriteUnlock()                      //解写锁，释放所有的互斥量
       {
              for(int i = 0; i < maxReadCount; i++)
                     ::ReleaseMutex(handles[i]);
       }
protected:
       RWLockBase()                            //构造函数，初始化每个互斥量
       {
              for(int i = 0; i < maxReadCount; i++)
                     handles[i] = ::CreateMutex(0, FALSE, 0);
       }
       ~RWLockBase()                          //析构函数，销毁对象
       {
              for(int i = 0; i < maxReadCount; i++)
                     ::CloseHandle(handles[i]);
       }
};
而相应的锁类也会稍复杂一些：
class RWLock
{
       bool lockSuccess;                //因为有可能超时，需要保存是否等待成功
       int readLockHandleIndex;      //对于读锁，需要知道获得的是哪个互斥量
       _RWLockBase* _pObj;         //目标对象基类指针
public:
       //这里通过第二个参数决定是加读锁还是写锁，第三个参数为超时的时间
       RWLock(_RWLockBase* pObj, bool readLock = true, int timeout = 3000)
       {
              _pObj = pObj;
              lockSuccess = FALSE;
              readLockHandleIndex = -1;
              if(NULL == _pObj)
                     return;
 
              if(readLock)          //读锁
              {
                     DWORD retval = _pObj->ReadLock(timeout);
                     if(retval < WAIT_ABANDONED) //返回值小于WAIT_ABANDONED表示成功
                     {                                               //其值减WAIT_OBJECT_0就是数组下标
                            readLockHandleIndex = retval - WAIT_OBJECT_0;
                            lockSuccess = TRUE;
                     }
              }
              else
              {
                     DWORD retval = _pObj->WriteLock(timeout);
                     if(retval < WAIT_ABANDONED) //写锁时获得了所有互斥量，无需保存下标
                            lockSuccess = TRUE;
              }
       }
       ~RWLock()
       {
              if(NULL == _pObj)
                     return;
              if(readLockHandleIndex > -1)
                     _pObj->ReadUnlock(readLockHandleIndex);
              else
                     _pObj->WriteUnlock();
       }
       bool IsLockSuccess() const { return lockSuccess; }
};
 
这样一来，读/写锁的类也就完成了，使用时与InstanceLock类似：
1 被锁对象从RWLockBase<>类继承
2 需要加读锁时，声明一个RWLock实例，并指出要加的是读锁
3 需要加写锁时，声明一个RWLock实例，并指出要加的是写锁
 
这里还是要多说两句，虽然使用纯虚函数结合模板类，使得客户端代码量减到最少，但性能上有一些影响，因为声明了虚函数，则实例中必然存在4个字节的VPTR，调用虚函数时则要查找VTABLE，空间和时间上都有微小的牺牲。而如果不使用模板类，则没有虚函数的代价，但也有牺牲：不使用模板类则需要使用动态数组，动态数组本身需要程序运行时在堆上分配，这也需要时间；指向动态数组的指针也需要占用内存，所以空间上的开锁是一样的，时间上虽然动态分配内存需要的时间应该比虚函数的调用要慢一点，但初始化只需要一次，总体来说也是值得的。所以最终要使用哪一种，就看具体需要了。
 
这里也给出一个实验。这里所用的被锁类也上一篇类似，简单的从RWLockBase类继承：
class MyClass2: public RWLockBase<>
{};
MyClass2 mc2;
看看两个线程函数：
//读线程
DWORD CALLBACK ReadThreadProc(LPVOID param)
{
       int i = (int)param;
       RWLock lock(&mc2);          //加读锁
       if(lock.IsLockSuccess())             //如果加锁成功
       {
              Say("read thread %d started", i);   //为了代码短一些，假设Say函数有这种能力
              Sleep(1000);
              Say("read thread %d ended", i);
       }
       else                                     //加锁超时，则显示超时信息
              Say("read thread %d timeout", i);
       return 0;
}
//写线程
DWORD CALLBACK WriteThreadProc(LPVOID param)
{
       int i = (int)param;
       RWLock lock(&mc2, false); //加写锁。
       if(lock.IsLockSuccess())
       {
              Say("write thread %d started", i);
              Sleep(600);
              Say("write thread %d ended", i);
       }
       else
              Say("write thread %d timeout", i);
       return 0;
}
 
主线程：
       int i;
       for(i = 0; i < 5; i++)
              ::CreateThread(0, 0, ReadThreadProc, (LPVOID)i, 0, 0);
       for(i = 0; i < 5; i++)
              ::CreateThread(0, 0, WriteThreadProc, (LPVOID)i, 0, 0);
程序共开10个线程，5个读5个写。从RWLockBase类继承时我们使用了默认的模板参数，所以最多同时允许3个读线程。程序的运行结果如下：
001 [15:07:28.484]read thread 0 started
002 [15:07:28.484]read thread 1 started
003 [15:07:28.484]read thread 2 started
004 [15:07:29.484]read thread 0 ended
005 [15:07:29.484]read thread 3 started
006 [15:07:29.484]read thread 1 ended
007 [15:07:29.484]read thread 4 started
008 [15:07:29.484]read thread 2 ended
009 [15:07:30.484]read thread 3 ended
010 [15:07:30.484]read thread 4 ended
011 [15:07:30.484]write thread 0 started
012 [15:07:31.078]write thread 0 ended
013 [15:07:31.078]write thread 1 started
014 [15:07:31.484]write thread 2 timeout
015 [15:07:31.484]write thread 3 timeout
016 [15:07:31.484]write thread 4 timeout
017 [15:07:31.687]write thread 1 ended
前三行三个读线程取得读锁，之后等一秒（第4-8行），三个读线程都结束了，并且余下的两个读线程取得读锁，虽然这时剩下了一个互斥量没有使用，但因为其他的线程都请求加写锁，写锁与其他所有线程互斥，所以还不能取得写锁。再过一秒（第9-11行），后来的两个取得读锁的线程也结束了，则第一个写线程取得写锁。600毫秒之后（第12-13行）第一个写线程结束，第二个写线程开始。400毫秒之后（第14-16行）余下的三个写线程都超时了，再后第二个写线程也结束了。
 
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