实现锁

Question

我试图了解锁是如何工作的。

假设我想在 C++ 中实现一个非常简单的锁

class Resource{
    public:
    bool lock();
    void unlock();
    ... methods to change/read the Resource ...

    private:
    bool isLocked;
}

Resource 的用户调用lock() ，如果isLocked为真，则lock()返回 false，并且 Resource 的用户必须等待或做其他事情。 如果isLocked为 false，则lock()将isLocked设置为 true，并返回 true。 然后调用者可以对资源做任何他想做的事。 之后他在资源上调用unlock()以将isLocked设置为 false。

但是，如果资源的两个用户同时调用lock()怎么办？ 这种情况很少发生吗？ 我更正式地认为，这涉及使lock()操作成为“原子的”，尽管我不确定该词的含义。

Answer 1

使用旧的标准 C++，您无法实现自己的锁，因为锁变量本身处于数据竞争中。

C++11 和 C11 添加了原子变量，您可以将其用于此目的； 例如在 C++ 中：

#include <atomic>

std::atomic<bool> isLocked;

bool lock() { return !isLocked.exchange(true); }

void unlock() { isLocked = false; }

这里的关键是原子交换和（隐式）原子存储，它们生成特殊的硬件指令并且始终是无竞争的，并且您不能用普通变量“伪造”它们。

Answer 2

“原子”意味着操作不能被中断。 也就是说，无论其他线程/进程的行为如何，您都可以确定该操作的语义是相同的。 你是对的，你的lock()调用中的某些东西可能必须是原子的。 大多数体系结构都提供了一些有用的指令和有保证的原子行为——您可能还会发现一些基于这些操作构建的库，以便在您正在编程的更高层上为您提供更大的灵活性。

Answer 3

这一点也不罕见。 它称为竞争条件，是多线程代码中许多（如果不是大多数）错误的原因。

C++ 标准实际上没有任何线程/原子性等概念， ¹因此您需要依赖操作系统（或可能通过 Boost）提供的同步原语。

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_{1. 这不再适用于 C++11。}