Реализация класса синхронизации чтения-записи

Question

Я пишу класс синхронизации чтения-записи и хотел бы дать несколько советов о том, что мне делать дальше. По некоторым причинам это иногда позволяет Read случиться в середине Writeи я не могу найти причину.

Это то, что я хочу от этого класса:

• Чтение не допускается одновременно с записью.
• Множественное чтение может происходить одновременно.
• Только одна запись может происходить одновременно.
• Когда необходима запись, все уже выполняющиеся чтения продолжаются, новые чтения не допускаются, когда все чтения заканчивают, запись выполняет.

Я знаю, что.Net Framework имеет класс для этого... но я хочу понять и воспроизвести что-то подобное. Я не изобретаю колесо заново, я пытаюсь понять его, создавая собственное колесо... бывает, что мое колесо немного в квадрате.

Что у меня есть в настоящее время это:

public class ReadWriteSync
{
    private ManualResetEvent read = new ManualResetEvent(true);
    private volatile int readingBlocks = 0;
    private AutoResetEvent write = new AutoResetEvent(true);
    private object locker = new object();

    public IDisposable ReadLock()
    {
        lock (this.locker)
        {
            this.write.Reset();
            Interlocked.Increment(ref this.readingBlocks);
            this.read.WaitOne();
        }

        return new Disposer(() =>
        {
            if (Interlocked.Decrement(ref this.readingBlocks) == 0)
                this.write.Set();
        });
    }

    public IDisposable WriteLock()
    {
        lock (this.locker)
        {
            this.read.Reset();
            this.write.WaitOne();
        }

        return new Disposer(() =>
        {
            this.read.Set();
            if (this.readingBlocks == 0)
                this.write.Set();
        });
    }

    class Disposer : IDisposable
    {
        Action disposer;
        public Disposer(Action disposer) { this.disposer = disposer; }
        public void Dispose() { this.disposer(); }
    }
}

Это моя тестовая программа... когда что-то идет не так, она печатает строки красным цветом.

class Program
{
    static ReadWriteSync sync = new ReadWriteSync();

    static void Main(string[] args)
    {
        Console.BackgroundColor = ConsoleColor.DarkGray;
        Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Gray;
        Console.Clear();

        Task readTask1 = new Task(() => DoReads("A", 20));
        Task readTask2 = new Task(() => DoReads("B", 30));
        Task readTask3 = new Task(() => DoReads("C", 40));
        Task readTask4 = new Task(() => DoReads("D", 50));

        Task writeTask1 = new Task(() => DoWrites("E", 500));
        Task writeTask2 = new Task(() => DoWrites("F", 200));

        readTask1.Start();
        readTask2.Start();
        readTask3.Start();
        readTask4.Start();

        writeTask1.Start();
        writeTask2.Start();

        Task.WaitAll(
            readTask1, readTask2, readTask3, readTask4,
            writeTask1, writeTask2);
    }

    static volatile bool reading;
    static volatile bool writing;

    static void DoWrites(string name, int interval)
    {
        for (int i = 1; i < int.MaxValue; i += 2)
        {
            using (sync.WriteLock())
            {
                Console.ForegroundColor = (writing || reading) ? ConsoleColor.Red : ConsoleColor.Gray;
                writing = true;
                Console.WriteLine("WRITE {1}-{0} BEGIN", i, name);
                Thread.Sleep(interval);
                Console.WriteLine("WRITE {1}-{0} END", i, name);
                writing = false;
            }

            Thread.Sleep(interval);
        }
    }

    static void DoReads(string name, int interval)
    {
        for (int i = 0; i < int.MaxValue; i += 2)
        {
            using (sync.ReadLock())
            {
                Console.ForegroundColor = (writing) ? ConsoleColor.Red : ConsoleColor.Gray;
                reading = true;
                Console.WriteLine("READ {1}-{0} BEGIN", i, name);
                Thread.Sleep(interval * 3);
                Console.WriteLine("READ {1}-{0} END", i, name);
                reading = false;
            }

            Thread.Sleep(interval);
        }
    }
}

Что не так со всем этим... любой совет о том, как сделать это правильно?

Answer 1

Основная проблема, которую я вижу, заключается в том, что вы пытаетесь сделать так, чтобы события сброса включали в себя как значения чтения / записи, так и обработку их текущего состояния без согласованной синхронизации.

Вот пример того, как непоследовательная синхронизация может укусить вас в вашем конкретном коде.

• write избавляется и read приходит.
• read приобретает замок
• write устанавливает read ManualResetEvent (MRE)
• write проверяет текущий счетчик чтения, находя 0
• read сбрасывает write AutoResetEvent (ARE)
• read увеличивает счетчик чтения
• read находит его MRE был установлен и начинает читать

Пока все хорошо, но write еще не закончил...

• Второй write приходит и получает замок
• Второй write сбрасывает read MRE
• Первый write заканчивается, установив write ЯВЛЯЮТСЯ
• Второй write находит, что его ARE установлено и начинает писать

Когда вы думаете о нескольких потоках, если вы не в какой-то степени заблокированы, вы должны исходить из того, что все другие данные сильно колеблются и им нельзя доверять.

Наивная реализация этого может отделить логику обслуживания от логики состояния и синхронизировать соответствующим образом.

    public class ReadWrite
    {
        private static int readerCount = 0;
        private static int writerCount = 0;
        private int pendingReaderCount = 0;
        private int pendingWriterCount = 0;
        private readonly object decision = new object();

        private class WakeLock:IDisposable
        {
            private readonly object wakeLock;
            public WakeLock(object wakeLock) { this.wakeLock = wakeLock; }
            public virtual void Dispose() { lock(this.wakeLock) Monitor.PulseAll(this.wakeLock); }
        }
        private class ReadLock:WakeLock
        {
            public ReadLock(object wakeLock) : base(wakeLock) { Interlocked.Increment(ref readerCount); }
            public override void Dispose()
            {
                Interlocked.Decrement(ref readerCount);
                base.Dispose();
            }
        }            
        private class WriteLock:WakeLock
        {
            public WriteLock(object wakeLock) : base(wakeLock) { Interlocked.Increment(ref writerCount); }
            public override void Dispose()
            {
                Interlocked.Decrement(ref writerCount);
                base.Dispose();
            }
        }

        public IDisposable TakeReadLock()
        {
            lock(decision)
            {
                pendingReaderCount++;
                while (pendingWriterCount > 0 || Thread.VolatileRead(ref writerCount) > 0)
                    Monitor.Wait(decision);
                pendingReaderCount--;
                return new ReadLock(this.decision);
            }
        }

        public IDisposable TakeWriteLock()
        {
            lock(decision)
            {
                pendingWriterCount++;
                while (Thread.VolatileRead(ref readerCount) > 0 || Thread.VolatileRead(ref writerCount) > 0)
                    Monitor.Wait(decision);
                pendingWriterCount--;
                return new WriteLock(this.decision);
            }
        }
    }