Rust 语言中的 RwLock内部实现原理
Rust是一种系统级编程语言，它带有严格的内存管理、并发和安全性规则，因此很受广大程序员的青睐。RwLock（读写锁）是 Rust 中常用的线程同步机制之一，本文将详细介绍 Rust 语言中的 RwLock 的内部实现原理、常用接口的使用技巧和最佳实践。
RwLock 的内部实现原理
基本概念
RwLock 是一种读写分离的锁，允许多个线程同时读取共享数据，但只允许一个线程写入数据。通过这种方式，可以避免读写操作之间的竞争，从而提高并发性能。
在 Rust 中，RwLock 的实现基于 std::sync::RwLock 结构体。其中，T 表示被保护的数据类型，需要满足 Send 特质以便可以在线程之间传递，并且需要满足 Sync 特质以便可以在线程之间共享。
RwLock 是在 std::sync::RwLock 结构体上实现的，为了方便说明，下文中假设 T 为 u32 类型。
RwLock 的基本结构
RwLock 的基本结构如下：
use std::sync::RwLock;
let lock = RwLock::new(0u32);
该代码将创建一个 RwLock 对象，其中 T 类型为 u32，初始化值为 0，即该锁保护的是一个名为 data 的 u32 类型变量。
RwLock 的锁定机制
我们可以通过锁定 RwLock 来对数据进行保护。RwLock 提供了四个方法来完成锁定操作：
read()方法：获取读锁，并返回一个 RAII（资源获取即初始化）的读取守卫。多个线程可以同时获取读锁，但是不能同时持有写锁。
try_read()方法：非阻塞地获取读锁。如果读锁已经被占用，则返回 None。
write()方法：获取写锁，并返回一个 RAII 的写入守卫。如果有任何线程正在持有读锁或写锁，则阻塞等待直到它们释放锁。
try_write()方法：非阻塞地获取写锁。如果写锁已经被占用，则返回None。
对于读写锁，我们需要保证写操作在读操作之前，因此，在调用 write 方法时，会等待所有的读取守卫被释放，并阻止新的读取守卫的创建。为了避免死锁和优先级反转，写入守卫还可以降低优先级。
读写锁的实现主要是通过两个 Mutex 来实现的。一个 Mutex 用于保护读取计数器，另一个 Mutex 用于保护写入状态。读取计数器统计当前存在多少个读取锁，每当一个新的读取锁被请求时，读取计数器就会自增。当读取计数器为 0 时，写入锁可以被请求。
RwLock 的 Poisoning
类似于 Mutex，RwLock 也支持 poisoning 机制。如果 RwLock 发生 panic，那么锁就成了 poison 状态，也就是无法再被使用。任何试图获取这个锁的线程都会 panic，而不是被阻塞。
use std::sync::{Arc, RwLock};
use std::thread;
fn main() {
let lock = Arc::new(RwLock::new(0u32));
let readers = (0..6)
.map(|_| {
let lock = lock.clone();
thread::spawn(move || {
let guard = lock.read().unwrap();
println!("read: {}", *guard);
})
})
.collect::< Vec< _ >>();
let writers = (0..2)
.map(|_| {
let lock = lock.clone();
thread::spawn(move || {
let mut guard = lock.write().unwrap();
*guard += 1;
println!("write: {}", *guard);
})
})
.collect::< Vec< _ >>();
for reader in readers {
reader.join().unwrap();
}
for writer in writers {
writer.join().unwrap();
}
}
运行后，可能会出现以下异常信息：
thread 'main' panicked at 'PoisonError { inner: ...
这里的 inner 表示调用 RwLock 的线程 panic 时产生的错误信息。
常用接口的使用技巧
read() 方法
read() 方法用于获取读锁，并返回一个 RAII 的读取守卫：
let lock = RwLock::new(0u32);
let r1 = lock.read().unwrap();
let r2 = lock.read().unwrap();
在上面的例子中，r1 和 r2 都是 RwLockWriteGuard 类型的对象，它们引用的数据类型是 u32。这意味着它们只允许读取 u32 类型的数据，并且无法改变它们的值。
读取守卫被析构时，RwLock 的读取计数器会减少，如果读取计数器变为 0，则写入锁可以被请求。
write() 方法
write() 方法用于获取写锁，并返回一个 RAII 的写入守卫：
let lock = RwLock::new(0u32);
let mut w1 = lock.write().unwrap();
let mut w2 = lock.write().unwrap();
在上面的例子中，w1 和 w2 都是 RwLockWriteGuard 类型的对象，它们引用的数据类型是 u32。这意味着它们允许读写 u32 类型的数据，并且可以改变它们的值。
写入守卫被析构时，写入锁立即被释放，并且所有等待读取锁和写入锁的线程都可以开始运行。
try_read() 方法
try_read() 方法用于非阻塞地获取读锁。如果读锁已经被占用，则返回 None。
let lock = RwLock::new(0u32);
if let Some(r) = lock.try_read() {
println!("read: {}", *r);
} else {
println!("read lock is already taken");
}
try_write() 方法
try_write() 方法用于非阻塞地获取写锁。如果写锁已经被占用，则返回 None。
let lock = RwLock::new(0u32);
if let Some(mut w) = lock.try_write() {
*w += 1;
println!("write: {}", *w);
} else {
println!("write lock is already taken");
}
共享所有权
如果你想在多个线程之间共享一个 RwLock 对象，就需要使用 Arc（atomic reference counting，原子引用计数）来包装它：
use std::sync::{Arc, RwLock};
use std::thread;
fn main() {
let lock = Arc::new(RwLock::new(0u32));
let readers = (0..6)
.map(|_| {
let lock = lock.clone();
thread::spawn(move || {
let guard = lock.read().unwrap();
println!("read: {}", *guard);
})
})
.collect::< Vec< _ >>();
let writers = (0..2)
.map(|_| {
let lock = lock.clone();
thread::spawn(move || {
let mut guard = lock.write().unwrap();
*guard += 1;
println!("write: {}", *guard);
})
})
.collect::< Vec< _ >>();
for reader in readers {
reader.join().unwrap();
}
for writer in writers {
writer.join().unwrap();
}
}
// 输出结果：
// read: 0
// read: 0
// read: 0
// read: 0
// read: 0
// read: 0
// write: 1
// write: 2
实现锁超时功能
Rust标准库中的RwLock目前是不支持读/写超时功能的。我们可以利用RwLock中非阻塞方法try_read和try_write实现超时的特征。
下面进一步讲解使用std::sync::RwLock和std::time::Duration来实现读超时，具体步骤如下：
- 创建一个名为TimeoutRwLock的trait，其中包含read_timeout方法。
- 在TimeoutRwLock中添加默认实现（default impl）。
- 在read_timeout方法中，通过RwLock的try_read_with_timeout方法来尝试获取读取器（Reader），并且指定一个等待时间。
- 如果在等待时间内成功获取到读取器，那么将读取器返回；否则，返回一个错误。 下面是代码实现：
use std::sync::{Arc, RwLock, RwLockReadGuard};
use std::time::Duration;
use std::thread;
use std::thread::sleep;
trait TimeoutRwLock< T > {
fn read_timeout(&self, timeout: Duration) - > Result< RwLockReadGuard< '_, T >, String > {
match self.try_read_with_timeout(timeout) {
Ok(guard) = > Ok(guard),
Err(_) = > Err(String::from("timeout")),
}
}
fn try_read_with_timeout(&self, timeout: Duration) - > Result< RwLockReadGuard< '_, T >, () >;
}
impl< T > TimeoutRwLock< T > for RwLock< T > {
fn try_read_with_timeout(&self, timeout: Duration) - > Result< RwLockReadGuard< '_, T >, () > {
let now = std::time::Instant::now();
loop {
match self.try_read() {
Ok(guard) = > return Ok(guard),
Err(_) = > {
if now.elapsed() >= timeout {
return Err(());
}
std::thread::sleep(Duration::from_millis(10));
}
}
}
}
}
fn main() {
let lock = Arc::new(RwLock::new(0u32));
let reader = {
let lock = lock.clone();
thread::spawn(
move || match lock.read_timeout(Duration::from_millis(100)) {
Ok(guard) = > {
println!("read: {}", *guard);
}
Err(e) = > {
println!("error: {:?}", e);
}
},
)
};
let writer = {
let lock = lock.clone();
thread::spawn(move || {
sleep(Duration::from_secs(1));
let mut guard = lock.write().unwrap();
*guard += 1;
println!("write: {}", *guard);
})
};
reader.join().unwrap();
writer.join().unwrap();
}
// 输出结果：
// read: 0
// write: 1
在这个实现中，trait TimeoutRwLock中定义了一个read_timeout方法，它与try_read方法具有相同的输入参数类型和输出类型。default impl方法是一个尝试在给定的等待时间内获取读取器（Reader）的循环，并在等待过程中使用线程（thread）的park_timeout方法来避免 CPU 占用过高。如果在等待时间内成功获取到读取器（Reader），则返回读取器；否则返回一个错误。
当然，除了自己实现Trait外，还可以使用成熟的第三方库，例如：parking_lot
RwLock最佳实践
- • 避免使用锁
锁是一种解决并发问题的基本机制，但由于锁会引入竞争条件、死锁和其他问题，因此应尽量避免使用锁。如果可能，应使用更高级别的机制，例如 Rust 的通道（channel）。
- • 避免过度使用读写锁
在某些情况下，读写锁可能会比互斥锁更慢。例如，如果有太多的读取器，并且它们在拥有读取锁时花费了大量时间，那么写入器的等待时间可能会很长。因此，使用读写锁时，应仔细考虑读写比例，以避免过度使用读写锁。
- • 锁的可重入性
RwLock 是可重入的；一个线程占有写锁时可以再次占有读锁，并且同样可以占有写锁。但这种情况要非常小心，因为可能会导致死锁。
- • 尽量缩小锁的范围
锁的范围越小，竞争就越少，性能就越好。因此，应尽量在需要的地方使用锁，而在不需要的地方释放锁。例如，在读写数据之前，可以先将数据复制到本地变量中，然后释放锁，以便其它线程可以访问该数据，而不必争夺锁。在本地变量上执行读写操作时，不需要锁定。
- • 锁的超时设置
在使用锁时，应该避免出现无限等待的情况。可以使用带超时的锁，当等待时间超过指定的时间时，会返回一个错误。这将防止出现死锁或其他问题。
// 引入第三方库处理超时
// parking_lot = "0.12.1"
use parking_lot::RwLock;
use std::sync::Arc;
use std::thread;
use std::time::{Duration, Instant};
fn main() {
let rwlock = Arc::new(RwLock::new(0));
let start = Instant::now();
// 尝试在 1 秒内获取读锁
let reader = loop {
if let Some(r) = rwlock.try_read_for(Duration::from_secs(1)) {
break r;
}
if start.elapsed() >= Duration::from_secs(5) {
panic!("Failed to acquire read lock within 5 seconds.");
}
};
// 尝试在 1 秒内获取写锁
let mut writer = loop {
if let Some(w) = rwlock.try_write_for(Duration::from_secs(1)) {
break w;
}
if start.elapsed() >= Duration::from_secs(5) {
panic!("Failed to acquire write lock within 5 seconds.");
}
};
// 进行读写操作
println!("Reader: {}", *reader);
*writer += 1;
println!("Writer: {}", *writer);
}
在上面的例子中，读取器等待 100 毫秒后超时，写入器等待 1 秒钟才能成功完成写入。
总结
RwLock 是 Rust 中一种常用的线程同步机制，可以提高程序的并发性能。它只允许一个线程写入数据，但可以让多个线程同时读取同一个数据。具体来说，RwLock 在实现上使用了两个 Mutex，一个用于保护读取计数器，另一个用于保护写入状态。在使用 RwLock 时，应该注意缩小锁的范围、避免使用过多读写锁以及防止死锁等问题。
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