本文描述了一種簡(jiǎn)單的跨平臺(tái)鎖框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該框架小巧實(shí)用、易于擴(kuò)展，它的特點(diǎn)如下：
● 實(shí)現(xiàn)了線程間互斥鎖
● 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化了單線程環(huán)境中的空鎖和空級(jí)別鎖
● 支持編譯時(shí)或運(yùn)行時(shí)選擇鎖
● 支持對(duì)象和類(lèi)級(jí)別的鎖粒度
● 支持錯(cuò)誤或異常處理
框架結(jié)構(gòu)
由鎖抽象、鎖適配器、鎖守衛(wèi)、線程互斥鎖和鎖級(jí)別5個(gè)基本組件構(gòu)成，對(duì)應(yīng)類(lèi)的關(guān)系如下圖。
基本組件
鎖抽象
提供鎖語(yǔ)義的抽象，一般有5種操作：創(chuàng)建或初始化、阻塞加鎖、非阻塞加鎖、解鎖和銷(xiāo)毀，實(shí)現(xiàn)為lock_base類(lèi)。
1
class lock_base
2
{
3
public:
4
lock_base()
{}
5 virtual ~lock_base(){}
6
7 virtual int lock() = 0;
8 virtual int trylock() = 0;
9 virtual int unlock() = 0;
10
};
構(gòu)造對(duì)應(yīng)創(chuàng)建或初始化操作，析構(gòu)對(duì)應(yīng)銷(xiāo)毀操作，lock對(duì)應(yīng)阻塞加鎖，trylock對(duì)應(yīng)非阻塞加鎖，unlock對(duì)應(yīng)解鎖。
鎖適配器
支持運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)綁定某個(gè)具體鎖，實(shí)現(xiàn)為lock_adapter類(lèi)模板，繼承l(wèi)ock_base。
1 template<class T>
2 class lock_adapter : public lock_base
3{
4public:
5 lock_adapter(T &lock)
6 :lock_(&lock)
7 ,del_(false)
8 {}
9
10 lock_adapter()
11 :del_(true)
12 { lock_ = new T(); }
13
14 ~lock_adapter()
15 { if(del_) delete lock_; }
16
17 virtual int lock()
18 { return lock_->lock(); }
19
20 virtual int trylock()
21 { return lock_->trylock(); }
22
23 virtual int unlock()
24 { return lock->unlock(); }
25
26private:
27 T *lock_;
28 bool del_;
29};
提供2個(gè)構(gòu)造函數(shù)，支持引用外部鎖和構(gòu)造內(nèi)部鎖，并將方法實(shí)現(xiàn)委托給對(duì)應(yīng)的鎖實(shí)例。
線程互斥鎖
一種支持線程間同步的具體鎖，支持windows和linux平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)為thread_mutex類(lèi)。
lock、trylock和unlock返回0表示成；-1表示失敗，errno指示錯(cuò)誤碼; 當(dāng)僅用于單線程環(huán)境時(shí)，加解鎖沒(méi)有意義，提供一個(gè)空鎖，實(shí)現(xiàn)為null_mutex類(lèi)。
1class null_mutex
2{
3public:
4 int lock() { return 0;}
5 int trylock() { return 0;}
6 int unlock() { return 0; }
7};
鎖守衛(wèi)
用于自動(dòng)獲取和釋放鎖，保證當(dāng)異常發(fā)生時(shí)能自動(dòng)解鎖，實(shí)現(xiàn)為lock_guard類(lèi)模板，T表示鎖類(lèi)型，只要這個(gè)類(lèi)型提供lock、trylock和unlock三種語(yǔ)義。
1template<class T>
2 class lock_guard : noncopyable
3{
4public:
5 explicit lock_guard(T &lock, bool block=true)
6 : lock_(&lock)
7 {
8 owner_ = (block ? lock_->lock() : lock_->trylock());
9
}
10
11 ~lock_guard()
12 {
13 if(0==owner_) lock_->unlock();
14 }
15
16 int locked() const
17 { return owner_; }
18
19private:
20 T *lock_;
21 int owner_;
22};
構(gòu)造函數(shù)形參block為true表示阻塞加鎖，否則非阻塞加鎖。當(dāng)T為null_mutex時(shí)，為了避免調(diào)用lock和unlock的開(kāi)銷(xiāo)，特化如下。
1template<>
2class lock_guard<null_mutex>
3{
4 public:
5
explicit lock_guard(null_mutex&){}
6 ~lock_guard() {}
7 };
鎖級(jí)別
提供類(lèi)級(jí)別和對(duì)象級(jí)別2種鎖粒度：類(lèi)級(jí)別是指所有對(duì)象共享同一個(gè)鎖，實(shí)現(xiàn)為class_level_lock類(lèi)模板；對(duì)象級(jí)別是指每個(gè)對(duì)象持有自己的鎖， 實(shí)現(xiàn)為object_level_lock類(lèi)模板。
1template<class T>
2class level_lock_base : noncopyable
3{
4public:
5 typedef lock_guard<const T> lock_guard_type;
6
7 int lock() const
8 { return static_cast<const T*>(this)->lock_.lock(); }
9
10 int trylock() const
11 { return static_cast<const T*>(this)->lock_.trylock();}
12
13 int unlock() const
14 { return static_cast<const T*>(this)->lock_.unlock(); }
15
16protected:
17 ~level_lock_base(){}
18};
19
20 template<class T,class L>
21 class class_level_lock : public level_lock_base<class_level_lock<T,L> >
22{
23 template<class U>
24 friend class level_lock_base;
25
26protected:
27 ~class_level_lock(){}
28
29private:
30 static L lock_;
31};
32
33 template<class T,class L>
34 L class_level_lock<T,L>::lock_;
35
36 template<class T,class L>
37 class object_level_lock : public level_lock_base<object_level_lock<T,L> >
38{
39 template<class U>
40 friend class level_lock_base;
41
42protected:
43 ~object_level_lock(){}
44
45private:
46 mutable L lock_;
47};
level_lock_base是為遵循DRY SPOT原則而衍生的基類(lèi)，使用CRTP模式，T是繼承它的級(jí)別子類(lèi)類(lèi)型；它避免了每個(gè)子類(lèi)都要編寫(xiě)lock、trylock和unlock的冗余，并使用const T定義了鎖守衛(wèi)類(lèi)型別名，這是為了支持子類(lèi)的const方法。class_level_lock和object_level_lock中的T是宿主類(lèi)類(lèi)型，L是鎖類(lèi)型，當(dāng)L為null_mutex時(shí)，為避免調(diào)用lock（或trylock）和unlock的開(kāi)銷(xiāo)，提供了一個(gè)空級(jí)別，實(shí)現(xiàn)為null_level_lock類(lèi)模板，繼承l(wèi)evel_lock_base，并且必須要以它特化鎖守衛(wèi)，這樣在實(shí)際使用時(shí)就不會(huì)引起"lock_不是null_level_lock<T,L>的成員"編譯錯(cuò)誤。
1 template<class T,class L>
2 class null_level_lock : public level_lock_base<null_level_lock<T,L> >
3{
4protected:
5 ~null_level_lock(){}
6};
7
8 template<class T,class L>
9 class lock_guard<const null_level_lock<T,L> >
10{
11public:
12 explicit lock_guard(const null_level_lock<T,L>&){}
13 ~lock_guard(){}
14};
應(yīng)用示例
編譯時(shí)選擇鎖類(lèi)型與級(jí)別
stl_sequence是以stl中的vector、list和deque三種序列容器為基礎(chǔ)進(jìn)行共性抽象的包裝容器，為了使它靈活支持各種鎖與級(jí)別，就需要將鎖和級(jí)別定義為模板參數(shù)，并提供一個(gè)默認(rèn)的類(lèi)型。
1
template<typename T,
2 class L = null_mutex, //lock type
3 template<class T,class L> class E = null_level_lock, //lock level
4 template<class T,class U> class C = std::vector,
5 template <class T> class U = std::allocator
6 >
7class stl_sequence : private E<stl_sequence<T,L,E,C,U>,L>
8
{
9
typedef U<T> Allocator;
10 typedef C<T,Allocator> cont_type;
11 typedef stl_sequence<T,L,E,C,U> self_type;
12 typedef E<self_type,L> base_type;
13 typedef typename base_type::lock_guard_type lock_guard_type;
14
15public:
16
17 void add(const T &t,bool append = true)
18
{
19 lock_guard_type guard(*this);
20 //do add thing
21
}
22
23 void insert(size_t idx,const T &t)
24 {
25 lock_guard_type guard(*this);
26 //do insert thing
27 }
28
29 void erase(size_t idx)
30 {
31 lock_guard_type guard(*this);
32 //do erase thing
33 }
34
35 T* get(size_t idx)
36 {
37 lock_guard_type guard(*this);
38 //do get thing
39 }
40
41
};
從上可見(jiàn)，增加、刪除、修改和查找操作都是通過(guò)首先調(diào)用lock_guard_type guard(*this)僅一行代碼來(lái)支持線程同步，下面來(lái)看看它的使用。
● 使用空級(jí)別鎖：seq1和seq2都沒(méi)有鎖，即使seq2使用了thread_mutex。
1 stl_sequence<int> seq1;
2 stl_sequence<int,thread_mutex> seq2;
● 使用對(duì)象級(jí)別鎖：seq3和seq4具有各自的鎖。
1 stl_sequence<int,thread_mutex,object_level_lock> seq3, seq4;
● 使用類(lèi)級(jí)別鎖：seq5和seq6共享同一個(gè)鎖。
1 stl_sequence<int,thread_mutex,class_level_lock> seq5, seq6;
● 使用空鎖：seq7、seq8和seq9都沒(méi)有鎖，但seq7效率稍高。
1 stl_sequence<int,null_mutex> seq7;
2 stl_sequence<int,null_mutex,class_level_lock> seq8;
3 stl_sequence<int,null_mutex,object_level_lock> seq9;
綜上可知，在單線程環(huán)境中，使用空級(jí)別空鎖就夠了；而在多線程環(huán)境中,可依據(jù)需求靈活選擇對(duì)象級(jí)別或類(lèi)級(jí)別鎖。
運(yùn)行時(shí)綁定具體鎖
1 lock_base *lb;
2 if(argc>1 && 0==strcmp(argv[1],"thread_mutex"))
3 lb = new lock_adapter<thread_mutex>(*(new thread_mutex));
4 else
5 lb = new lock_adapter<null_mutex> (*(new null_mutex));
6
auto_ptr<lock_base> ap(lb);
7 lock_guard<lock_base> guard(*lb);
8 //do some thing
posted on 2014-12-28 23:38
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