C++中实现类似Java的“synchronized”

C++中实现类似Java的“synchronized”

设计思路：通过区域锁和宏定义实现。

本文展示了如何synchronized在 C++ 中编写与 Java 工作方式类似的语句。这段代码的目标是制作一段如下代码，可在 C++ 中编译和执行：

synchronized(myMutex)
{
    //TODO put synchronized code here
}

The Mutex class

下面的一段代码展示了一个具有lock/unlock语义的互斥类（在许多库中很常见）：

//mutex class
class Mutex
{
public:
    //the default constructor
    Mutex()
    {
        InitializeCriticalSection(&m_criticalSection);
    }

    //destructor
    ~Mutex()
    {
        DeleteCriticalSection(&m_criticalSection);
    }

    //lock
    void lock()
    {
        EnterCriticalSection(&m_criticalSection);
    }

    //unlock
    void unlock()
    {
        LeaveCriticalSection(&m_criticalSection);
    }

private:
    CRITICAL_SECTION m_criticalSection;
};

上面的类没有什么特别的：

• 构造时初始化临界区
• 析构时删除临界区
• 方法lock()锁定临界区
• 方法unlock()解锁临界区

我们将使用临界区，但任何同步原语都适用。

为了与 C++ 建立的代码实践保持一致，我们需要一个特殊的类来实现 RAII（资源获取即初始化）模式。下面的一段代码展示了这样一个类：

//synchronization controller object
class Lock
{
public:
    //the default constructor
    Lock(Mutex &mutex) : m_mutex(mutex), m_locked(true)
    {
        mutex.lock();
    }

    //the destructor
    ~Lock()
    {
        m_mutex.unlock();
    }

    //report the state of locking when used as a boolean
    operator bool () const
    {
        return m_locked;
    }

    //unlock
    void setUnlock()
    {
        m_locked = false;        
    }

private:
    Mutex &m_mutex;
    bool m_locked;
};

本课注意事项：

• 它在构造时锁定互斥锁，并且
• 它在销毁时解锁互斥锁。

使用上面的类非常简单：

Mutex mutex1;
...
Lock lock1(mutex1);
//synchronized code here

该synchronized语句可以编码为这样的宏：

#define synchronized(M)  for(Lock M##_lock = M; M##_lock; M##_lock.setUnlock())

其中，参数M是用于lock的互斥变量。

以下代码显示了如何使用同步宏：它协调两个线程，在标准输出中打印字母表。没有同步，输出不正确：

//thread count
int thread_count = 0;

//mutex
Mutex mutex1;

//example thread
DWORD CALLBACK thread_proc(LPVOID params)
{
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        synchronized(mutex1)
        {
            for(char c = 'A'; c <= 'Z'; ++c)
            {
                cout << c;
            }
            cout << endl;
        }
    }
    thread_count--;
    return 0;
}

//main
int main()
{
    thread_count = 2;
    CreateThread(0, 0, thread_proc, 0, 0, 0);
    CreateThread(0, 0, thread_proc, 0, 0, 0);
    while (thread_count) Sleep(0);
    getchar();
    return 0;
}

该宏利用forC++ 语句的性质来执行以下操作（按显示的顺序）：

1. 初始化部分：定义了一个本地锁变量来锁定给定的互斥体；lock 变量包含一个设置为 true 的内部标志。
2. 测试部分：对lock变量进行测试，发现为true：执行循环内的代码。
3. 增量部分：锁定变量的内部标志设置为false。
4. 测试部分：测试lock变量，发现为false：循环退出。
5. 退出部分：锁变量被销毁，解锁互斥锁。

与经典 RAII 相比的优势

使用这种方式对 RAII 进行编码比传统方法有一些优势：

• 它使代码更具可读性，
• 它有助于避免声明锁变量，以及
• 它将要与同步范围同步的代码联系起来。

笔记

该synchronized宏是异常安全的，因为它在销毁时解锁其互斥锁。

PS:不实用，不再进行优化。