c++ - 如何让作家线程饿死

Question

我已经使用 C++14 的 shared_timed_mutex 编写了读写器问题的实现。在我看来，以下代码应该会导致 Writer 饿死，因为有太多的读取线程一直在处理数据库(在这个例子中是一个简单的数组):Writer 没有机会获得锁。

mutex cout_mtx;                 // controls access to standard output
shared_timed_mutex db_mtx;      // controls access to data_base

int data_base[] = { 0, 0, 0, 0, 0, 0 };

const static int NR_THREADS_READ = 10; 
const static int NR_THREADS_WRITE = 1;
const static int SLEEP_MIN = 10;
const static int SLEEP_MAX = 20;

void read_database(int thread_nr) {
    shared_lock<shared_timed_mutex> lck(db_mtx, defer_lock); // create a lock based on db_mtx but don't try to acquire the mutex yet
    while (true) {
        // generate new random numbers
        std::random_device r;
        std::default_random_engine e(r());
        std::uniform_int_distribution<int> uniform_dist(SLEEP_MIN, SLEEP_MAX);
        std::uniform_int_distribution<int> uniform_dist2(0, 5);
        int sleep_duration = uniform_dist(e);   // time to sleep between read requests 
        int read_duration = uniform_dist(e);    // duration of reading from data_base
        int cell_number = uniform_dist2(e);     // what data cell will be read from
        int cell_value = 0;

        // wait some time before requesting another access to the database
        this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(sleep_duration));

        if (!lck.try_lock()) {

            lck.lock(); // try to get the lock in blocked state
        }

        // read data
        cell_value = data_base[cell_number];

        lck.unlock();

    }
}

void write_database(int thread_nr) {
    unique_lock<shared_timed_mutex> lck(db_mtx, defer_lock); // create a lock based on db_mtx but don't try to acquire the mutex yet
    while (true) {
        // generate new random numbers
        std::random_device r;
        std::default_random_engine e(r());
        std::uniform_int_distribution<int> uniform_dist(SLEEP_MIN, SLEEP_MAX);
        std::uniform_int_distribution<int> uniform_dist2(0, 5);
        int sleep_duration = uniform_dist(e);   // time to sleep between write requests 
        int read_duration = uniform_dist(e);    // duration of writing to data_base
        int cell_number = uniform_dist2(e);     // what data cell will be written to

        // wait some time before requesting another access to the database
        this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(sleep_duration));

        // try to get exclusive access
        cout_mtx.lock();
        cout << "Writer <" << thread_nr << "> requesting write access." << endl;
        cout_mtx.unlock();

        if (!lck.try_lock()) {

            lck.lock(); // try to get the lock in blocked state
        }

        // write data
        data_base[cell_number] += 1;

        lck.unlock();

    }
}

当线程正在读取、写入、尝试以阻塞模式或通过 try_lock() 方法获取锁时，我向标准输出添加了一些输出，但为了明晰。我在 main 方法中进一步启动线程。当我运行程序时，编写器总是有机会写入数组(导致所有读取器线程阻塞，这没关系)但正如我上面所说，编写器根本无法访问，因为有太多许多读者线程从数组中读取。即使我根本不让读者线程休眠(参数 0)，编写者线程也会以某种方式找到获取互斥量的方法。那我怎么让作者饿死呢？

Answer 1

std::shared_timed_mutex 的高质量实现不会让读者或作者饿死。然而，随着读者数量/写者数量的增长，写者获得锁的可能性越小。根据您当前的设置(1 位作者对 10 位读者)，我猜测作者大约有 9% 的时间获得了锁定。当您增加该比率时，作者将获得更少的锁，但永远不会 100% 饿死。

如果你只让写入器在try_lock下获取，那么你100%饿死它的几率会大大增加。

允许 std::shared_timed_mutex 实现而不会让读者或作者挨饿的算法的存在是 std::shared_timed_mutex 没有 API 的原因允许您指定读者优先级或作者优先级。

算法

假设互斥体中有两个门:gate1 和gate2。

要通过 gate1，(几乎)无论您是读者还是作者都无关紧要。如果 gate1 中有另一个 writer，你就进不去。读者必须遵循一个额外的规则，这个规则在实践中永远不会发挥作用:如果已经有最大数量的读者超过了 >gate1，你进不去。

一旦通过gate1，读者就拥有共享锁。

一旦通过 gate1，写入者不拥有唯一锁。他必须在 gate2 外进一步等待，直到不再有读者持有共享锁。一旦通过 gate2，作者就拥有唯一锁。

此算法是“公平的”，因为无论您是读者还是作者，通过 gate1 都没有什么区别。如果在gate1 之外有一堆读者和作者，下一个进入的线程是由操作系统决定的，而不是由这个算法决定的。所以你可以把它想象成掷骰子。如果竞争 gate1 的读者和作者数量相同，那么下一个通过 gate1 的读者或作者是 50/50 的机会。