【Rust每周一知】Rust中的读写锁RwLock

洋芋发表于 2020-04-02 11:32

Tags：Rust, 每周一知

本文简单介绍 Rust 中的读写锁RwLock，内容概览如下：

经典问题
- 读者-作家问题
基本概念
- 临界区 Critical section
- 互斥量 Mutex
- 信号量 Semaphore
- 读写锁 RWLock
Rust中的RwLock实现
- std::sync::RwLock
- parking_lot::RwLock

经典问题

在计算机科学中，有一些经典的同步问题，读者-作家问题就是其中一个，该问题涉及多个并发线程试图同时访问同一共享资源的情况。

读者-作家问题：我们拥有一种资源（例如，数据库），可以由不修改资源的读者和可以修改资源的作家访问。当作家修改资源时，其他任何人（读者或作家）都无法同时访问它，因为另一位作家可能破坏资源，而另一位读者可能读取部分修改的值，因此可能出现不一致。

基本概念

为了准确理解问题，我们先介绍一些基本概念。

临界区 Critical section，在并发编程中，对共享资源的并发访问可能导致意外或错误的行为，因此需要以某种方式保护访问共享资源的那部分程序。这部分受保护的代码片段称为临界区。

互斥量 Mutex，在多线程并发编程时，为了确保一次仅一个线程可以访问共享资源，引入了Mutex的概念，它是 Mutual Exclusion 的缩写，通常翻译为互斥量或互斥锁。

信号量 Semaphore，同样的，为了控制并发系统中多个线程对共享资源的访问，引入了Semaphore的概念，通常翻译为信号量。

读写锁 RWLock，在计算机科学中，读写锁是解决读者-作家问题的同步原语之一。读写锁允许读操作共享访问，而写操作则需要互斥访问。通常构造在互斥量和条件变量之上，或者构造在信号量之上。

Rust中的读写锁

自读者-作家问题提出以来，人们对它进行了广泛的研究，读写锁是解决读者-作家问题的方案之一，按照读写锁的锁定优先级策略分为以下三种：

赋予读者优先权：当前至少有一个读者正在访问资源时，也应允许新读者访问它。如果有作家在等待修改资源并且新的读者一直到来，这可能会导致作家饿死，因为只要有至少一个读者，就永远不会授予作家访问权限。
赋予作家优先权：在这里，读者可能会饿死。
不给予任何优先权：所有读者和作家都将按到达顺序被授予对资源的访问权限。如果在读者访问资源时作家到达，它将等待这些读者释放资源，然后对其进行修改。同时抵达的新读者将不得不等待。

标准库中的RwLock：

允许在任何时间点具有多个读者或最多一个作家。也就是说，RwLock允许任何数量的读者获取锁，只要作家未持有该锁即可。
相比之下，互斥锁不会区分获取锁的种类，因此会阻塞等待可用锁的所有线程。
锁定策略取决于操作系统的实现，也就是说它不能保证将使用任何特定的锁定策略
- Windows和macOS，读者和作家公平排队
- Linux，读者优先，作家会出现饥饿现象

同时，第三方库parking_lot中也实现了RwLock，它与标准库的RwLock的主要区别是：

其锁定策略是任务公平（task-fair），而不是未指定的平台默认值，避免出现读者作家饥饿现象。
仅需要1个字的空间，而标准库由于平台限制而将RwLock装箱。
该锁在出现紧急情况时通常会被释放，无“中毒”（poisoning）现象。

基本的使用，示例如下：

#[macro_use]
extern crate lazy_static;

use std::thread;
use std::sync::RwLock;
//use parking_lot::RwLock;

lazy_static! {
    pub static ref INC: RwLock<i32> = RwLock::new(0);
}

fn main() {
    let thread1 = thread::spawn(|| {
        for i in 1..10 {
            let mut w = INC.write().unwrap();
            //let mut w = INC.write();
            *w = *w + 1;
        }
    });

    let thread2 = thread::spawn(|| {
        for i in 1..10 {
            let mut w = INC.write().unwrap();
            //let mut w = INC.write();
            *w = *w + 1;
        }
    });

    thread1.join().unwrap();
    thread2.join().unwrap();

    let r = INC.read().unwrap();
    //let r = INC.read();
    println!("{}", *r); // 输出 18
}

一般项目中会有对全局配置文件的操作，示例如下：

#[macro_use]
extern crate lazy_static;

use std::sync::RwLock;

#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct MyConfig {
    pub debug: bool,
    pub info: &'static str,
}

lazy_static! {
    pub static ref CONFIG: RwLock<MyConfig> = RwLock::new(MyConfig { debug: false, info: "Some info" });
}

impl MyConfig {
    pub fn init(custom_debug: Option<bool>, custom_info: Option<&'static str>) -> Result<(), i32> {
        let mut w = CONFIG.write().unwrap();

        match (custom_debug , custom_info) {
            (Some(debug_value), Some(custom_info)) => *w = MyConfig { debug: debug_value, info: custom_info},
            _ => (),
        };

        Ok(())
    }

    pub fn global_config() -> MyConfig {
        let m = CONFIG.read().unwrap();
		// 返回配置的拷贝
        *m
    }
}


fn main() {
    let a = MyConfig::global_config();

    dbg!(a);

    MyConfig::init(Some(true), Some("Updated"));

    let a = MyConfig::global_config();

    dbg!(a);
}

输出：

[src/main.rs:39] a = MyConfig {
    debug: false,
    info: "Some info",
}
[src/main.rs:45] a = MyConfig {
    debug: true,
    info: "Updated",
}

希望对大家理解RwLock有帮助，欢迎交流，self-fulfil。

评论区

写评论

心情好又暖 2020-04-02 14:48

谢谢洋芋老师!

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