C++ shared_mutex 实现

Question

boost::shared_mutex 或 std::shared_mutex (C++17) 可用于单写多读访问。作为一个教育练习，我整理了一个简单的实现，它使用自旋锁并具有其他限制（例如公平策略），但显然不打算在实际应用中使用。

这个想法是，如果没有线程持有锁，互斥锁的引用计数为零。如果 > 0，则该值表示有权访问的阅读器数量。如果为 -1，则单个作者可以访问。

这是一个没有数据竞争的正确实现（特别是使用的、最小的、内存排序）吗？

#include <atomic>

class my_shared_mutex {
    std::atomic<int> refcount{0};
public:

    void lock() // write lock
    {
        int val;
        do {
            val = 0; // Can only take a write lock when refcount == 0

        } while (!refcount.compare_exchange_weak(val, -1, std::memory_order_acquire));
        // can memory_order_relaxed be used if only a single thread takes write locks ?
    }

    void unlock() // write unlock
    {
        refcount.store(0, std::memory_order_release);
    }

    void lock_shared() // read lock
    {
        int val;
        do {
            do {
                val = refcount.load(std::memory_order_relaxed);

            } while (val == -1); // spinning until the write lock is released

        } while (!refcount.compare_exchange_weak(val, val+1, std::memory_order_acquire));
    }

    void unlock_shared() // read unlock
    {
        // This must be a release operation (see answer)
        refcount.fetch_sub(1, std::memory_order_relaxed);
    }
};

Answer 1

（CAS = Compare And Swap = C++ compare_exchange_weak 函数，在 x86 上通常会编译为 x86 lock cmpxchg instruction，它只能在其拥有处于 Exclusive 或 Modified MESI 状态的缓存行时运行）。

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lock_shared 看起来不错：仅在看起来可能的情况下旋转只读尝试 CAS 比旋转 CAS 或原子增量更能提高性能。您已经需要进行只读检查以避免将 -1 更改为 0 并解锁写锁。

在 x86 上，将 _mm_pause() 放在自旋循环的重试路径中，以避免在退出只读自旋循环时内存顺序错误推测管道核弹，并在自旋时从其他超线程窃取更少的资源。 （使用while() 循环，而不是do{}while()，因此暂停仅在失败一次后运行。pause 在 Skylake 上，然后等待大约 100 个循环，因此避免在快速路径中使用它。）

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我认为unlock_shared 应该使用mo_release，而不是mo_relaxed，因为它需要从共享数据结构中对负载进行排序，以确保写入者之前不会开始写入来自读者关键部分的负载发生。 （LoadStore reordering 是弱排序架构上的东西，即使 x86 只进行 StoreLoad 重新排序。）A Release operation will order preceding loads and keep them inside the critical section。

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(in write lock): // 如果只有一个线程需要写锁，是否可以使用 memory_order_relaxed ？

不，您仍然需要将写入保持在关键部分内，因此 CAS 仍然需要与来自unlock_shared 的（用 C++ 术语）发布存储同步。

https://preshing.com/20120913/acquire-and-release-semantics/ 有一张漂亮的图片，显示了释放-存储或获取-加载的单向屏障效应。