透过C++ STL shared_mutex实现探索并行编程中的锁粒度策略

多线程编程的挑战和解决方案

在多线程编程中，一个常见的挑战是如何保护共享数据不被多个线程同时访问，从而避免数据损坏和程序崩溃。为了解决这个问题，引入了锁的概念。锁是一种同步机制，用于确保只有一个线程能够在任意时刻访问共享数据。

C++ STL提供了多种锁类型，其中shared_mutex是一个非常有用的读写锁。读写锁允许多个线程同时读取共享数据，但只有一个线程可以同时写入共享数据。这使得shared_mutex非常适合保护那些需要经常读取但偶尔写入的数据结构。

shared_mutex的实现

shared_mutex的实现采用了乐观并发控制（OCC）的思想。OCC的基本思想是允许多个线程同时访问共享数据，并通过一种机制来检测和纠正冲突。在shared_mutex中，这种机制就是通过一个名为state的整型变量来实现的。

state变量有三个可能的值：

• 0：表示没有线程拥有锁。
• 1：表示有一个线程拥有读锁。
• 2：表示有一个线程拥有写锁。

当一个线程想要获得读锁时，它会首先检查state变量的值。如果state为0，则表示没有线程拥有锁，该线程可以安全地获得读锁并将state设置为1。如果state为1或2，则表示已经有其他线程拥有锁，该线程需要等待直到锁被释放。

当一个线程想要获得写锁时，它会首先检查state变量的值。如果state为0，则表示没有线程拥有锁，该线程可以安全地获得写锁并将state设置为2。如果state为1，则表示有其他线程拥有读锁，该线程需要等待直到所有的读锁被释放。如果state为2，则表示已经有其他线程拥有写锁，该线程需要等待直到写锁被释放。

shared_mutex的使用

shared_mutex的使用非常简单。只需在需要保护的共享数据上创建一个shared_mutex对象，然后在访问共享数据之前使用lock()和unlock()方法来获得和释放锁。例如：

std::shared_mutex m;

void reader() {
  m.lock_shared();
  // 访问共享数据
  m.unlock_shared();
}

void writer() {
  m.lock();
  // 访问共享数据
  m.unlock();
}

shared_mutex的性能

shared_mutex的性能通常优于其他类型的锁，因为乐观并发控制可以减少锁争用的发生。然而，shared_mutex的性能也受锁粒度的影响。锁粒度是指锁保护的数据范围。锁粒度越小，锁争用的可能性就越小，但锁的开销也就越大。因此，在选择锁粒度时，需要权衡锁争用和锁开销这两个因素。

总结

shared_mutex是一种非常有用的读写锁，它可以有效地保护共享数据不被多个线程同时访问。shared_mutex的实现采用了乐观并发控制的思想，这使得它的性能通常优于其他类型的锁。然而，shared_mutex的性能也受锁粒度的影响。因此，在选择锁粒度时，需要权衡锁争用和锁开销这两个因素。