SRWLock 轻量级的读写锁

map  用于生产者观察模式

queue 用于生产消费者模式

SRWLock  轻量级的读写锁，它与临界区对象的不同在于，它分为两个模式来访问共享资源。并假设有两种类型的线程同时工作，一种用在读取共享资源，通常又称为消费线程，另一种用来对共享的资源进程写入操作，通常又称为生产线程。

共享模式下每个读取线程可以读取共享的数据，不受任何限制，它们可以同时读取共享数据。

独占模式下只运行一个写入线程访问共享数据，其他读/写线程都会被堵塞。 直到该线程释放了读写锁。

在多线程的情况下，生产线程和消费线程是无序的，SRWLock是一个指针，它的优势在于可以快速的更新锁的状态，劣势在这个指针可以存放有限的信息，因此SRWLock不能够递归获取，此外一个线程处于共享模式的时候，不能讲自身升级为独占模式。

初始化读写锁很简单

VOID WINAPI InitializeSRWLock(  PSRWLOCK SRWLock);

在Winbase.h文件中

typedef RTL_SRWLOCK SRWLOCK, *PSRWLOCK;

1.  
   typedef struct _RTL_SRWLOCK {
2.  
   PVOID Ptr;
3.  
   } RTL_SRWLOCK, *PRTL_SRWLOCK;

可见读写锁确实只是一个指针变量。

使用读写锁：

在消费线程中

AcquireSRWLockShared

*******读取操作

ReleaseSRWLockShared

在生产线程中

AcquireSRWLockExclusive

*******写操作

ReleaseSRWLockExclusive

这个读写锁和关键段一样方便使用，作者经过测试发现读写锁的性能较关键有很大的提升，这是因为读写锁是基于原子访问的，关键段是基于事件内核对象的，从用户模式到内核模式的切换占用了大量的时钟周期。

剖析SRWLock,以React OS下对读写锁的实现代码来看其工作原理。

在实现中SRWLock 的这个指针变量是这样来标识信息的

该指针的低4位被用于4个不同的标志，它们有其对应的宏定义

1.  
   #define RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT 0
2.  
   #define RTL_SRWLOCK_CONTENDED_BIT 1
3.  
   #define RTL_SRWLOCK_SHARED_BIT 2
4.  
   #define RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK_BIT 3
5.  
   #define RTL_SRWLOCK_OWNED (1 << RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT) //0位为1 表示有线程正在读/写共享资源
6.  
   #define RTL_SRWLOCK_CONTENDED (1 << RTL_SRWLOCK_CONTENDED_BIT) //1位为1 表示一个或者多个生产线程在等待独占资源

1.  
   #define RTL_SRWLOCK_SHARED (1 << RTL_SRWLOCK_SHARED_BIT) //2位为1 表示一个或者多个消费线程在等待读取资源
2.  
   #define RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK (1 << RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK_BIT) //3位为1 标识有一个线程在获取WAITBLOCK结构指针
3.  
   #define RTL_SRWLOCK_MASK (RTL_SRWLOCK_OWNED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED |
4.  
   RTL_SRWLOCK_SHARED | RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK)
5.  
   #define RTL_SRWLOCK_BITS 4

SRWLock 的高28位是一个指针，为什么只有28位呢，是因为它要指向对象的对齐方式是16，即地址的最低4位都是0，比如都是这样的0x00124710,0x00124720,0x00124850,   当需要获取指针所指向的对象时，只要将低4位全部置0，就可以得到对象的地址。

SRWLock 在同时有一个以上线程读写资源的时候，它指向一个结构体链表。

在有其他线程在读/资源的时候，一个线程调用AcquireSRWLockExclusive或者AcquireSRWLockShared  时会将一个在栈上构建的结构体挂入SRWLock 所指向的链表，这样每个将要读/写资源的线程都会在栈上构建这么一个结构体，并将结构体挂入链表中。

该结构体是这样定义的

1.  
   typedef struct _RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK
2.  
   {
3.  
    
4.  
   LONG SharedCount; //有多少线程 在等待读取
5.  
   volatile struct _RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK *Last;
6.  
   volatile struct _RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK *Next; //链表节指针
7.  
    
8.  
   union
9.  
   {
10.  
    LONG Wake; //非0表示可以被唤醒，0表示继续睡眠
11.  
    struct
12.  
    {
13.  
    PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE SharedWakeChain; //需要被唤醒的消费线程链表
14.  
    PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE LastSharedWake; //上一个被唤醒的消费线程
15.  
    };
16.  
    };
17.  
    BOOLEAN Exclusive; //1表示该结构体对象由生产线程构建在栈上，0表示结构体由消费线程构建在栈上
18.  
    } volatile RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK, *PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK;

下面是单向链表结构 ，代表每个需要被唤醒的消费线程

1.  
   typedef struct _RTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE
2.  
   {
3.  
   LONG Wake; //唤醒标志，非0唤醒，0睡眠
4.  
   volatile struct _RTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE *Next;
5.  
   } volatile RTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE, *PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE;

初始化读写锁，只是简单的将指针置为0

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlInitializeSRWLock(OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)
3.  
   {
4.  
   SRWLock->Ptr = NULL;
5.  
   }

AcquireSRWLockExclusive

它对应的函数是RtlAcquireSRWLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)， 由于这个函数的代码比较长，这里先贴出大体结构，然后分部分注释。

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlAcquireSRWLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)
3.  
   {
4.  
   __ALIGNED(16) RTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK StackWaitBlock; //构建于栈上的 对齐为16字节的 等待块
5.  
   PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK First, Last;
6.  
    
7.  
   if (InterlockedBitTestAndSetPointer(&SRWLock->Ptr,
8.  
   RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT)) //如果有其他线程在访问资源，进入循环，该原子访问函数返回之前的位值
9.  
   {
10.  
    LONG_PTR CurrentValue, NewValue;
11.  
     
12.  
    while (1)
13.  
    {
14.  
    CurrentValue = *(volatile LONG_PTR *)&SRWLock->Ptr;
15.  
     
16.  
    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_SHARED)
17.  
    {
18.  
    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)
19.  
    {
20.  
    goto AddWaitBlock;
21.  
    }
22.  
    else
23.  
    {
24.  
    } //Part1, 如果有线程在读取资源，且没有其他生产线程在独占资源
25.  
    }
26.  
    else
27.  
    {
28.  
    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_OWNED)
29.  
    {
30.  
     
31.  
    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)
32.  
    {
33.  
    AddWaitBlock:
34.  
    //Part2,如果有其他线程在等待独占资源
35.  
    }
36.  
    else
37.  
    {
38.  
    //Part3,如果有线程独占资源，且没有其他线程在等待资源
39.  
    }
40.  
    }
41.  
    else
42.  
    {
43.  
    if (!InterlockedBitTestAndSetPointer(&SRWLock->Ptr,
44.  
    RTL_SRWLOCK_OWNED_BIT))
45.  
    {
46.  
    break;
47.  
    }
48.  
    }
49.  
    }
50.  
     
51.  
    YieldProcessor(); 执行空指令
52.  
    }
53.  
    }
54.  
    }
55.  
     

最后一个函数  只是执行一个NOP指令，只是用来做延时而已，

    #define YieldProcessor() __asm__ __volatile__("nop");

Part1

1.  
   if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)
2.  
   {
3.  
   goto AddWaitBlock;
4.  
   }
5.  
   else
6.  
   {
7.  
   StackWaitBlock.Exclusive = TRUE; //标识结构体位于生产线程的栈上
8.  
   StackWaitBlock.SharedCount = (LONG)(CurrentValue >> RTL_SRWLOCK_BITS); //目前的高28位标识多少个线程在等待读取
9.  
   StackWaitBlock.Next = NULL;
10.  
    StackWaitBlock.Last = &StackWaitBlock;
11.  
    StackWaitBlock.Wake = 0; //初始化这个栈上的结构体
12.  
    NewValue = (ULONG_PTR)&StackWaitBlock | RTL_SRWLOCK_SHARED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED | RTL_SRWLOCK_OWNED;//设置新指针为该栈上结构地址
13.  
    并设置标志位
14.  
    if ((LONG_PTR)InterlockedCompareExchangePointer(&SRWLock->Ptr,
15.  
    (PVOID)NewValue,
16.  
    (PVOID)CurrentValue) == CurrentValue) 更换指针为新的值
17.  
    {
18.  
    RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(SRWLock,
19.  
    &StackWaitBlock); 进入生产线程的等待函数
20.  
    break;
21.  
    }

看下这个生产线程的等待函数

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock,
3.  
   IN PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK WaitBlock)
4.  
   {
5.  
   LONG_PTR CurrentValue;
6.  
    
7.  
   while (1)
8.  
   {
9.  
   CurrentValue = *(volatile LONG_PTR *)&SRWLock->Ptr;
10.  
    if (!(CurrentValue & RTL_SRWLOCK_SHARED))
11.  
    {
12.  
    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)
13.  
    {
14.  
    if (WaitBlock->Wake != 0)
15.  
    {
16.  
    break;
17.  
    }
18.  
    }
19.  
    else
20.  
    {
21.  
    break;
22.  
    }
23.  
    }
24.  
     
25.  
    YieldProcessor(); //只有在没有线程在读取，没有其他生产线程在独占，或者独占的线程将该线程的WAKE标志设为非0，时退出死循环
26.  
    }
27.  
    }

该函数保证了没个生产线程以独占的模式运行，其他生产线程只能在这里死循环，只要被唤醒，或者独占标志位被清除。

Part2:

1.  
   AddWaitBlock:
2.  
   StackWaitBlock.Exclusive = TRUE;
3.  
   StackWaitBlock.SharedCount = 0;
4.  
   StackWaitBlock.Next = NULL;
5.  
   StackWaitBlock.Last = &StackWaitBlock;
6.  
   StackWaitBlock.Wake = 0; 初始化结构体
7.  
    
8.  
   First = RtlpAcquireWaitBlockLock(SRWLock); 根据28位的指针去掉标志位，获取指向的链表表头，
9.  
   if (First != NULL)
10.  
    {
11.  
    Last = First->Last;
12.  
    Last->Next = &StackWaitBlock;
13.  
    First->Last = &StackWaitBlock; //将该线程栈上的结构体挂入链表的最后面，将表头的Last指向最后这个挂入的
14.  
     
15.  
    RtlpReleaseWaitBlockLock(SRWLock);
16.  
     
17.  
    RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(SRWLock,
18.  
    &StackWaitBlock); //进入等待循环
19.  
     
20.  
    break;
21.  
    }

RtlpAcquireWaitBlockLock  揭示了 如何通过28位的指针工作

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlpAcquireWaitBlockLock(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)
3.  
   {
4.  
   LONG_PTR PrevValue;
5.  
   PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK WaitBlock;
6.  
    
7.  
   while (1)
8.  
   {
9.  
   PrevValue = InterlockedOrPointer(&SRWLock->Ptr,
10.  
    RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK); //低位 第3位如果是1表示，有其他线程在调用该函数根据指针获取链表头
11.  
    这里保证了 只有一个线程可以访问链表，其他需要访问的要等待
12.  
    if (!(PrevValue & RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK))
13.  
    break;
14.  
     
15.  
    YieldProcessor();
16.  
    }
17.  
     
18.  
    if (!(PrevValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED) ||
19.  
    (PrevValue & ~RTL_SRWLOCK_MASK) == 0)
20.  
    {
21.  
    RtlpReleaseWaitBlockLock(SRWLock); //如果现在没有处于独占模式 或者 高28位 为0 ，错误 释放RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK标志位
22.  
    return NULL;
23.  
    }
24.  
     
25.  
    WaitBlock = (PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK)(PrevValue & ~RTL_SRWLOCK_MASK); 将指针与0x11111110 与操作， 将低4位标志清除，构成实际地址
26.  
     
27.  
    return WaitBlock;
28.  
    }

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlpReleaseWaitBlockLock(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)
3.  
   {
4.  
   InterlockedAndPointer(&SRWLock->Ptr,
5.  
   ~RTL_SRWLOCK_CONTENTION_LOCK); 只是简单将该标志位设为0
6.  
   }

Part3:

1.  
   StackWaitBlock.Exclusive = TRUE;
2.  
   StackWaitBlock.SharedCount = 0;
3.  
   StackWaitBlock.Next = NULL;
4.  
   StackWaitBlock.Last = &StackWaitBlock;
5.  
   StackWaitBlock.Wake = 0; 初始化结构体
6.  
    
7.  
   NewValue = (ULONG_PTR)&StackWaitBlock | RTL_SRWLOCK_OWNED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED; 将结构体地址构成新的指针
8.  
   if ((LONG_PTR)InterlockedCompareExchangePointer(&SRWLock->Ptr,
9.  
   (PVOID)NewValue,
10.  
    (PVOID)CurrentValue) == CurrentValue) 替换原来的指针
11.  
    {
12.  
    RtlpAcquireSRWLockExclusiveWait(SRWLock,
13.  
    &StackWaitBlock); 进入等待
14.  
    break;
15.  
    }

第一部分 和第三不分 代码差不多的，唯一的区别就是 第一不分多设置了一个标志位 RTL_SRWLOCK_SHARED，它们都是初始化栈上的结构体 并将结构体的地址加上标志位，然后替换为指针的值。

AcquireSRWLockExclusive  总结：

1、当有线程还在读取时，但是没有被其它生产线程独占， 那么挂入栈等待块，设置标志 （读取  独占 拥有），进入等待，读取线程全部Release时 线程等待结束，以独占模式访问资源

2、有其他生产线程在等待独占时，将栈块挂入SRWLock指针所指向链表的末尾，进入等待，在前面所有已挂入的等待都Release时，线程才结束等待 以独占模式访问资源。

3、如果有线程在独占，但是没有其他在等待独占的，那么挂入栈等待块，设置标志 （独占 拥有），进入等待，读取线程全部Release时 线程等待结束，以独占模式访问资源

ReleaseSRWLockExclusive

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlReleaseSRWLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock)
3.  
   {
4.  
   LONG_PTR CurrentValue, NewValue;
5.  
   PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK WaitBlock;
6.  
    
7.  
   while (1)
8.  
   {
9.  
   CurrentValue = *(volatile LONG_PTR *)&SRWLock->Ptr;
10.  
     
11.  
    if (!(CurrentValue & RTL_SRWLOCK_OWNED)) //此时如果不处于拥有状态，抛出异常
12.  
    {
13.  
    RtlRaiseStatus(STATUS_RESOURCE_NOT_OWNED);
14.  
    }
15.  
     
16.  
    if (!(CurrentValue & RTL_SRWLOCK_SHARED)) //必须不处于读取状态
17.  
    {
18.  
    if (CurrentValue & RTL_SRWLOCK_CONTENDED)
19.  
    {
20.  
    WaitBlock = RtlpAcquireWaitBlockLock(SRWLock);
21.  
    if (WaitBlock != NULL)
22.  
    {
23.  
    RtlpReleaseWaitBlockLockExclusive(SRWLock,
24.  
    WaitBlock); 如果有等待独占的线程，调用该函数，将指针指向的链表头传给它
25.  
     
26.  
    break;
27.  
    }
28.  
    }
29.  
    else
30.  
    {
31.  
     
32.  
    ASSERT(!(CurrentValue & ~RTL_SRWLOCK_OWNED));
33.  
     
34.  
    NewValue = 0;
35.  
    if ((LONG_PTR)InterlockedCompareExchangePointer(&SRWLock->Ptr,
36.  
    (PVOID)NewValue,
37.  
    (PVOID)CurrentValue) == CurrentValue) //如果没有等待独占的，指针置为0
38.  
    {
39.  
    break;
40.  
    }
41.  
    }
42.  
    }
43.  
    else
44.  
    {
45.  
    RtlRaiseStatus(STATUS_RESOURCE_NOT_OWNED); 如果处于读取状态 抛出异常
46.  
    }
47.  
     
48.  
    YieldProcessor();
49.  
    }
50.  
    }

RtlpReleaseWaitBlockLockExclusive：

1.  
   NTAPI
2.  
   RtlpReleaseWaitBlockLockExclusive(IN OUT PRTL_SRWLOCK SRWLock,
3.  
   IN PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK FirstWaitBlock)
4.  
   {
5.  
   PRTLP_SRWLOCK_WAITBLOCK Next;
6.  
   LONG_PTR NewValue;
7.  
    
8.  
    
9.  
   Next = FirstWaitBlock->Next;
10.  
    if (Next != NULL) 如果还有其他在等待的线程
11.  
    {
12.  
    NewValue = (LONG_PTR)Next | RTL_SRWLOCK_OWNED | RTL_SRWLOCK_CONTENDED;
13.  
    if (!FirstWaitBlock->Exclusive) 如果第一个等待的线程是读取线程
14.  
    {
15.  
    ASSERT(Next->Exclusive);
16.  
    Next->SharedCount = FirstWaitBlock->SharedCount; //复制读取线程计数
17.  
     
18.  
    NewValue |= RTL_SRWLOCK_SHARED;
19.  
    }
20.  
     
21.  
    Next->Last = FirstWaitBlock->Last; 将Last指向链尾的对象
22.  
    }
23.  
    else //如果只有一个在等待的线程
24.  
    {
25.  
    if (FirstWaitBlock->Exclusive) //如果该线程是生产线程，简单设置一个拥有位
26.  
    NewValue = RTL_SRWLOCK_OWNED;
27.  
    else
28.  
    { //如果该线程是消费线程，设置高位为线程计数，低位为标志 拥有 和 读取
29.  
    ASSERT(FirstWaitBlock->SharedCount > 0);
30.  
     
31.  
    NewValue = ((LONG_PTR)FirstWaitBlock->SharedCount << RTL_SRWLOCK_BITS) |
32.  
    RTL_SRWLOCK_SHARED | RTL_SRWLOCK_OWNED;
33.  
    }
34.  
    }
35.  
     
36.  
    (void)InterlockedExchangePointer(&SRWLock->Ptr, (PVOID)NewValue); 设置新的指针
37.  
     
38.  
    if (FirstWaitBlock->Exclusive)
39.  
    {
40.  
    (void)InterlockedOr(&FirstWaitBlock->Wake, 将第一个等待的线程唤醒，如果它是生产线程的话。
41.  
    TRUE);
42.  
    }
43.  
    else //如果第一个等待唤醒的是一个消费线程的等待块，根据SharedWakeChain链表， 唤醒每一个等待的消费线程。
44.  
    {
45.  
    PRTLP_SRWLOCK_SHARED_WAKE WakeChain, NextWake;
46.  
    WakeChain = FirstWaitBlock->SharedWakeChain;
47.  
    do
48.  
    {
49.  
    NextWake = WakeChain->Next;
50.  
     
51.  
    (void)InterlockedOr((PLONG)&WakeChain->Wake,
52.  
    TRUE);
53.  
     
54.  
    WakeChain = NextWake;
55.  
    } while (WakeChain != NULL);
56.  
    }
57.  
    }
58.