Rust中的读写锁RwLock

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
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，按照锁定的锁定的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。
锁定的优先级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优先级策略。
- Windows和macOS，读者和作家公平排队
- Linux，读者优先，作家会饿死

use std::sync::RwLock;

let lock = RwLock::new(5);

// many reader locks can be held at once
{
    let r1 = lock.read().unwrap();
    let r2 = lock.read().unwrap();
    assert_eq!(*r1, 5);
    assert_eq!(*r2, 5);
} // read locks are dropped at this point

// only one write lock may be held, however
{
    let mut w = lock.write().unwrap();
    *w += 1;
    assert_eq!(*w, 6);
} // write lock is dropped here

与标准库RwLock的区别：

支持以原子方式将写锁降级为读锁。
公平任务锁定策略，而不是未指定的平台默认值。
没有中毒，该锁通常在出现紧急情况时被释放。
仅需要1个字的空间，而标准库由于平台限制而将RwLock装箱。
可以静态构造（需要const_fn nightly功能）。
掉落时不需要任何滴胶。
内联快速路径，适用于无竞争的情况。
使用自适应旋转有效处理微争用。
无需保护即可进行原始锁定和解锁。
支持最终的公平性，因此rwlock平均而言是公平的。
（可选）通过调用RwLockReadGuard :: unlock_fair和RwLockWriteGuard :: unlock_fair来使rwlock公平。

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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。

基本概念

为了准确理解问题，我们先介绍一些基本概念。

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。

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，按照锁定的锁定的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。

锁定的优先级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优先级策略。

Windows和macOS，读者和作家公平排队
Linux，读者优先，作家会饿死

use std::sync::RwLock;

let lock = RwLock::new(5);

// many reader locks can be held at once
{
    let r1 = lock.read().unwrap();
    let r2 = lock.read().unwrap();
    assert_eq!(*r1, 5);
    assert_eq!(*r2, 5);
} // read locks are dropped at this point

// only one write lock may be held, however
{
    let mut w = lock.write().unwrap();
    *w += 1;
    assert_eq!(*w, 6);
} // write lock is dropped here

与标准库RwLock的区别：

支持以原子方式将写锁降级为读锁。

公平任务锁定策略，而不是未指定的平台默认值。

没有中毒，该锁通常在出现紧急情况时被释放。

仅需要1个字的空间，而标准库由于平台限制而将RwLock装箱。

可以静态构造（需要const_fn nightly功能）。

掉落时不需要任何滴胶。

内联快速路径，适用于无竞争的情况。

使用自适应旋转有效处理微争用。

无需保护即可进行原始锁定和解锁。

支持最终的公平性，因此rwlock平均而言是公平的。

（可选）通过调用RwLockReadGuard :: unlock_fair和RwLockWriteGuard :: unlock_fair来使rwlock公平。