[面试题] C++读写锁深度解析：原理、实现与并发控制

读写锁基础概念

读操作与写操作特性

在多线程编程环境中，读写锁（Read-Write Lock）是一种高效的同步机制，专门用于管理多个线程对共享资源的并发访问。

读操作特性：

• 无副作用操作
• 仅从共享资源获取信息
• 不改变资源状态

写操作特性：

• 有副作用操作
• 会修改共享资源状态
• 改变资源内容

并发访问的核心要求

在多线程同时访问共享资源时，必须确保以下特性：

• 一致性：所有线程看到的数据保持统一
• 原子性：复合操作要么全部完成，要么全部不发生
• 隔离性：线程间操作相互独立，互不干扰
• 持久性：写操作完成后结果必须持久保存

读写锁工作机制

锁类型划分

读写锁将对共享资源的访问分为两种类型：

读锁（共享锁）：

• 允许多个线程同时读取资源
• 当没有写者时，读锁可被多个读者持有
• 有写者尝试获取锁时，新读请求会被阻塞

写锁（排他锁）：

• 只允许单个线程写入资源
• 写锁具有排他性
• 持有写锁期间，其他所有线程都无法访问资源

访问规则总结

• 读-读：允许并发访问
• 读-写：互斥访问
• 写-读：互斥访问
• 写-写：互斥访问

C++标准库读写锁实现

C++17标准引入了std::shared_mutex，为开发者提供了标准的读写锁实现方案：

#include <shared_mutex>
#include <thread>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <chrono>

class ThreadSafeCounter {
private:
    mutable std::shared_mutex mutex_;
    int value_ = 0;

public:
    // 写操作 - 使用独占锁
    void increment() {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
        value_++;
    }

    // 读操作 - 使用共享锁
    int get() const {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
        return value_;
    }
};

代码实现解析

在该示例中：

• std::shared_lock 保护读操作，允许多个读者并发访问
• std::unique_lock 保护写操作，确保写操作的独占性
• 读者线程可以同时访问共享数据
• 写者线程需要获得独占访问权限

关键问题解答

有线程在读时能否执行写操作？

答案：不能

当有线程正在读取数据时，写操作必须等待所有读操作完成后才能执行。这种机制确保了写操作不会破坏读者线程所看到的数据一致性视图。

有线程在写时能否执行读操作？

答案：不能

当有线程正在执行写操作时，所有其他线程（包括读者和写者）都必须等待写操作完成。这种设计保证了写操作的原子性和隔离性，避免了数据竞争和不一致问题。

标签： C++,std::shared_mutex,多线程编程,读写锁,并发控制,C++17