信号量、锁模块
1 引入
加锁的目的是保证共享资源在任意时间里，只有一个线程访问，这样就可以避免多线程导致共享数据错乱的问题。
1.1 Linux的4种锁机制：
互斥锁：mutex，用于保证在任何时刻，都只能有一个线程访问该对象。当获取锁操作失败时，线程会进入睡眠，等待锁释放时被唤醒
读写锁：rwlock，分为读锁和写锁。处于读操作时，可以允许多个线程同时获得读操作。但是同一时刻只能有一个线程可以获得写锁。其它获取写锁失败的线程都会进入睡眠状态，直到写锁释放时被唤醒。 注意：写锁会阻塞其它读写锁。当有一个线程获得写锁在写时，读锁也不能被其它线程获取；写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）。适用于读取数据的频率远远大于写数据的频率的场合。
自旋锁：spinlock，在任何时刻同样只能有一个线程访问对象。但是当获取锁操作失败时，不会进入睡眠，而是会在原地自旋，直到锁被释放。这样节省了线程从睡眠状态到被唤醒期间的消耗，在加锁时间短暂的环境下会极大的提高效率。但如果加锁时间过长，则会非常浪费CPU资源。
RCU：即read-copy-update，在修改数据时，首先需要读取数据，然后生成一个副本，对副本进行修改。修改完成后，再将老数据update成新的数据。使用RCU时，读者几乎不需要同步开销，既不需要获得锁，也不使用原子指令，不会导致锁竞争，因此就不用考虑死锁问题了。而对于写者的同步开销较大，它需要复制被修改的数据，还必须使用锁机制同步并行其它写者的修改操作。在有大量读操作，少量写操作的情况下效率非常高。
互斥锁和读写锁的区别：
1）读写锁区分读者和写者，而互斥锁不区分
2）互斥锁同一时间只允许一个线程访问该对象，无论读写；读写锁同一时间内只允许一个写者，但是允许多个读者同时读对象。
1.2 区域锁思想
区域锁（Scoped Locking）并非一种锁的种类，而是使用锁的一种模式。这种概念是C++中RAII（Resource Acquisition Is Initialization）模式具体体现之一，"资源需要即初始化"。基本思想：C++中的资源应该交由对象管理，资源在对象的构造函数中完成初始化，在对象的析构函数中被释放。
本项目采用的就是区域锁的思想，需要加锁时，初始化一个锁的对象来保护数据，结束后析构掉。在构造函数中完成对锁的初始化，在析构函数中完成对锁的资源释放。
1.3 实现思路
通过局域锁的思想实现加锁解锁。设计各种锁的类LockType，抽象如下面的代码所示，包含
- 一个LockType类型的成员POSIX信号量
- 构造析构函数 -- 构造函数初始化信号量，析构函数析构信号量
- 加锁解锁函数 -- 实现信号量的加锁解锁
- 一个类型定义 -- 利用类模板初始化一个T为LockType的成员，构造析构实现加锁解锁
class LockType : Noncopyable {
public:
typedef ScopedLockImpl<Mutex> Lock; //局部锁
Mutex() {
pthread_LockType_init(&m_mutex, nullptr);
}
~Mutex() {
pthread_LockType_destroy(&m_mutex);
}
void lock() {
pthread_LockType_lock(&m_mutex);
}
void unlock() {
pthread_LockType_unlock(&m_mutex);
}
private:
pthread_LockType_t m_mutex;
}; //互斥量一般都是在一个局部范围
//为了防止漏掉解锁，一般写一个类，通过构造函数加锁，析构函数解锁
2 信号量
信号量是一种特殊的变量，对其操作访问都是源原子操作。且只允许等待wait和发送post操作。
2.1 POSIX信号量API
POSIX 信号量，定义在头文件<semaphore.h>, 底层是一个非负整数，通过原子操作对其加减，控制线程（进程）对共享资源的访问
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); 初始化-----构造 int sem_wait(sem_t *sem); 减1操作-------wait int sem_post(sem_t *sem); 加1操作-------notify int sem_destroy(sem_t *sem); 释放-------析构
2.2 信号量
class Semaphore : Noncopyable {
public:
Semaphore(uint32_t count = 0); //构造函数 count 信号量值的大小
~Semaphore();
void wait(); //获取信号量，数-1
void notify(); //释放信号量，数+1
private:
sem_t m_semaphore;
};
Semaphore::Semaphore(uint32_t count) {
if(sem_init(&m_semaphore, 0, count)) {
throw std::logic_error("sem_init error");
}
}
Semaphore::~Semaphore() {
sem_destroy(&m_semaphore);
}
void Semaphore::wait() {
if(sem_wait(&m_semaphore)) {
throw std::logic_error("sem_wait error");
}
}
void Semaphore::notify() {
if(sem_post(&m_semaphore)) {
throw std::logic_error("sem_post error");
}
} 2.3 协程信号量
class Scheduler;
class FiberSemaphore : Noncopyable {
public:
typedef Spinlock MutexType;
FiberSemaphore(size_t initial_concurrency = 0);
~FiberSemaphore();
bool tryWait();
void wait();
void notify();
size_t getConcurrency() const { return m_concurrency;}
void reset() { m_concurrency = 0;}
private:
MutexType m_mutex;
std::list<std::pair<Scheduler*, Fiber::ptr> > m_waiters;
size_t m_concurrency;
}; 3 互斥锁
//局部区域互斥锁、自旋锁、原子锁模板类
//T：锁的类型
template<class T>
struct ScopedLockImpl {
public:
ScopedLockImpl(T& mutex)
:m_mutex(mutex) {
m_mutex.lock(); //构造时加锁
m_locked = true;
}
~ScopedLockImpl() {
unlock(); //自动释放锁
}
void lock() {
if(!m_locked) {
m_mutex.lock();
m_locked = true;
}
}
void unlock() {
if(m_locked) {
m_mutex.unlock();
m_locked = false;
}
}
private:
T& m_mutex; //mutex
bool m_locked; //是否已上锁
};
//互斥锁类
class Mutex : Noncopyable {
public:
typedef ScopedLockImpl<Mutex> Lock; //局部锁
Mutex() {
pthread_mutex_init(&m_mutex, nullptr);
}
~Mutex() {
pthread_mutex_destroy(&m_mutex);
}
void lock() {
pthread_mutex_lock(&m_mutex);
}
void unlock() {
pthread_mutex_unlock(&m_mutex);
}
private:
pthread_mutex_t m_mutex;
}; 4 读写锁
//局部读锁模板实现
template<class T>
struct ReadScopedLockImpl {
public:
ReadScopedLockImpl(T& mutex)
:m_mutex(mutex) {
m_mutex.rdlock();
m_locked = true;
}
~ReadScopedLockImpl() {
unlock(); //自动释放锁
}
void lock() {
if(!m_locked) {
m_mutex.rdlock();
m_locked = true;
}
}
void unlock() {
if(m_locked) {
m_mutex.unlock();
m_locked = false;
}
}
private:
T& m_mutex; //mutex
bool m_locked; //是否已上锁
};
//局部写锁模板实现
template<class T>
struct WriteScopedLockImpl {
public:
WriteScopedLockImpl(T& mutex)
:m_mutex(mutex) {
m_mutex.wrlock();
m_locked = true;
}
~WriteScopedLockImpl() {
unlock();
}
void lock() {
if(!m_locked) {
m_mutex.wrlock();
m_locked = true;
}
}
void unlock() {
if(m_locked) {
m_mutex.unlock();
m_locked = false;
}
}
private:
T& m_mutex; //Mutex
bool m_locked; //是否已上锁
};
//读写互斥量
class RWMutex : Noncopyable{
public:
typedef ReadScopedLockImpl<RWMutex> ReadLock; //局部读锁
typedef WriteScopedLockImpl<RWMutex> WriteLock; //局部写锁
RWMutex() {
pthread_rwlock_init(&m_lock, nullptr);
}
~RWMutex() {
pthread_rwlock_destroy(&m_lock);
}
void rdlock() {
pthread_rwlock_rdlock(&m_lock);
}
void wrlock() {
pthread_rwlock_wrlock(&m_lock);
}
void unlock() {
pthread_rwlock_unlock(&m_lock);
}
private:
pthread_rwlock_t m_lock; //读写锁
}; 5 自旋锁
class Spinlock : Noncopyable {
public:
typedef ScopedLockImpl<Spinlock> Lock; //局部锁
Spinlock() {
pthread_spin_init(&m_mutex, 0);
}
~Spinlock() {
pthread_spin_destroy(&m_mutex);
}
void lock() {
pthread_spin_lock(&m_mutex);
}
void unlock() {
pthread_spin_unlock(&m_mutex);
}
private:
//自旋锁
pthread_spinlock_t m_mutex;
}; 6 原子锁
class CASLock : Noncopyable {
public:
typedef ScopedLockImpl<CASLock> Lock; //局部锁
CASLock() {
m_mutex.clear();
}
~CASLock() {
}
void lock() {
//执行本次原子操作之前 所有 读 原子操作必须全部完成
while(std::atomic_flag_test_and_set_explicit(&m_mutex, std::memory_order_acquire));
}
void unlock() {
//执行本次原子操作之前 所有 写 原子操作必须全部完成
std::atomic_flag_clear_explicit(&m_mutex, std::memory_order_release);
}
private:
//原子状态
volatile std::atomic_flag m_mutex;
}; 
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