C++11:基于std::unordered_map和共享锁构建线程安全的map

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发布于 2019-05-25 21:59:51

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发布于 2019-05-25 21:59:51

前一篇博客《C++11:基于std::queue和std::mutex构建一个线程安全的队列》中，实现了一个线程安全的队列，本文说说如何实现一个线程安全的map。

在上一篇博客中，实现threadsafe_queue主要是依赖std::mutex信号量来实现线程对threadsafe_queue的独占访问,不论是只读的函数还是写函数对threadsafe_queue都是独占访问,因为对threadsafe_queue中的操作相对较少，而且主要操作push/pop都是写操作,所以这样做是没问题的。

但对于map,除了insert/erase这样的写操作之外还有find这样的读取操作,如果每个线程都是独占访问，无疑是会影响效率的。

所以在实现线程安全的map时,我没有选择使用std::mutex控制所有的操作为独占访问，而是用RWLock来控制map对象的访问，RWLock是我以前自己写的一个类，将线程对资源的访问分为读取操作和写入操作两类，这两类操作是独占的，但允许多个线程读取操作，允许一个线程写访问。也就是说多个线程在读取操作的时候，要写入的线程是阻塞的，直到所读取操作线程执行完读取操作释放读取锁，反之亦然，如果有一个线程在执行写入操作，所有要读取操作的线程就得等着，直到写入操作结束。

关于RWLock的源码及更详细的说明参见我的博客《无锁编程:c++11基于atomic实现共享读写锁(写优先)》

有了RWLock,基于std::unordered_map实现线程安全的map就比较简单了，基本上是把unordered_map的源码抄了一遍，对于unordered_map中的每个函数入口加一个RWLock的读取锁或写入锁。

实现的基本原则很简单:

对于const函数加读取锁，允许共享读取，

对于非const函数，加写入锁，允许独占写入。

下面是完整的源码:

/*
 * threadsafe_unordered_map.h
 *
 *  Created on: 2016年7月26日
 *      Author: guyadong
 */

#ifndef COMMON_SOURCE_CPP_THREADSAFE_UNORDERED_MAP_H_
#define COMMON_SOURCE_CPP_THREADSAFE_UNORDERED_MAP_H_
#include <unordered_map>
#include <memory>
#include <utility>
#include "RWLock.h"

namespace gdface {
inline namespace mt{
/*
 * 基于std::unordered_map实现线程安全map
 * 禁止复制构造函数
 * 禁止复制赋值操作符
 * 允许移动构造函数
 * 禁止移动赋值操作符
 * */
template<typename _Key, typename _Tp,
    typename _Hash = hash<_Key>,
    typename _Pred = std::equal_to<_Key>,
    typename _Alloc = std::allocator<std::pair<const _Key, _Tp> > >
class threadsafe_unordered_map{
private:
    std::unordered_map<_Key,_Tp,_Hash,_Pred,_Alloc> map;
    // 用于控制读写访问的锁对象
    mutable RWLock lock;
public:
    using map_type=std::unordered_map<_Key,_Tp,_Hash,_Pred,_Alloc>;
    using key_type=typename map_type::key_type;
    using mapped_type=typename map_type::mapped_type;
    using value_type=typename map_type::value_type;
    using hasher=typename map_type::hasher;
    using key_equal=typename map_type::key_equal;
    using allocator_type=typename map_type::allocator_type;
    using reference=typename map_type::reference;
    using const_reference=typename map_type::const_reference;
    using pointer=typename map_type::pointer;
    using const_pointer=typename map_type::const_pointer;
    using iterator=typename map_type::iterator;
    using const_iterator=typename map_type::const_iterator;
    using local_iterator=typename map_type::local_iterator;
    using const_local_iterator=typename map_type::const_local_iterator;
    using size_type=typename map_type::size_type;
    using difference_type=typename map_type::difference_type;


    threadsafe_unordered_map()=default;
    threadsafe_unordered_map(const threadsafe_unordered_map&)=delete;
    threadsafe_unordered_map(threadsafe_unordered_map&&)=default;
    threadsafe_unordered_map& operator=(const threadsafe_unordered_map&)=delete;
    threadsafe_unordered_map& operator=(threadsafe_unordered_map&&)=delete;
    explicit threadsafe_unordered_map(size_type __n,
                const hasher& __hf = hasher(),
                const key_equal& __eql = key_equal(),
                const allocator_type& __a = allocator_type()):map(__n,__hf,__eql,__a){}
    template<typename _InputIterator>
    threadsafe_unordered_map(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
                  size_type __n = 0,
                  const hasher& __hf = hasher(),
                  const key_equal& __eql = key_equal(),
                  const allocator_type& __a = allocator_type()):map(__first,__last,__n,__hf,__eql,__a){}
    threadsafe_unordered_map(const map_type&v): map(v){}
    threadsafe_unordered_map(map_type&&rv):map(std::move(rv)){}
    explicit
    threadsafe_unordered_map(const allocator_type& __a):map(__a){}
    threadsafe_unordered_map(const map_type& __umap,
                const allocator_type& __a):map(__umap,__a){}
    threadsafe_unordered_map(map_type&& __umap,
                const allocator_type& __a):map(std::move(__umap),__a){}
    threadsafe_unordered_map(initializer_list<value_type> __l,
                size_type __n = 0,
                const hasher& __hf = hasher(),
                const key_equal& __eql = key_equal(),
                const allocator_type& __a = allocator_type()):map(__l,__n,__hf,__eql,__a){}
    threadsafe_unordered_map(size_type __n, const allocator_type& __a)
          : threadsafe_unordered_map(__n, hasher(), key_equal(), __a){}
    threadsafe_unordered_map(size_type __n, const hasher& __hf,
                const allocator_type& __a)
          : threadsafe_unordered_map(__n, __hf, key_equal(), __a){}
    template<typename _InputIterator>
    threadsafe_unordered_map(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
                  size_type __n,
                  const allocator_type& __a):map(__first,__last,__n,__a){}
    template<typename _InputIterator>
    threadsafe_unordered_map(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
                  size_type __n, const hasher& __hf,
                  const allocator_type& __a)
          : threadsafe_unordered_map(__first, __last, __n, __hf, key_equal(), __a){}
    threadsafe_unordered_map(initializer_list<value_type> __l,
                size_type __n,
                const allocator_type& __a)
          : threadsafe_unordered_map(__l, __n, hasher(), key_equal(), __a){}
    threadsafe_unordered_map(initializer_list<value_type> __l,
                size_type __n, const hasher& __hf,
                const allocator_type& __a)
          : threadsafe_unordered_map(__l, __n, __hf, key_equal(), __a){}
    bool  empty() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.empty();
    }
    size_type size() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.size();
    }
    size_type  max_size() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.max_size();
    }
     iterator begin() noexcept{
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.begin();
     }
     const_iterator begin() const noexcept{
         auto guard=lock.read_guard();
         return map.begin();
     }
     const_iterator cbegin() const noexcept{
         auto guard=lock.read_guard();
        return map.cbegin();
     }
     iterator end() noexcept{
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.end();
     }
     const_iterator end() const noexcept{
         auto guard=lock.read_guard();
         return map.end();
     }
     const_iterator cend() const noexcept{
         auto guard=lock.read_guard();
         return map.cend();
     }
     template<typename... _Args>
        std::pair<iterator, bool>
        emplace(_Args&&... __args){
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.emplace(std::forward<_Args>(__args)...);
     }
     template<typename... _Args>
    iterator
    emplace_hint(const_iterator __pos, _Args&&... __args){
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.emplace_hint(__pos, std::forward<_Args>(__args)...);
     }
     std::pair<iterator, bool> insert(const value_type& __x){
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.insert(__x);
     }
     template<typename _Pair, typename = typename
               std::enable_if<std::is_constructible<value_type,
                                _Pair&&>::value>::type>
        std::pair<iterator, bool>
        insert(_Pair&& __x){
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.insert(std::forward<_Pair>(__x));
     }
     iterator
     insert(const_iterator __hint, const value_type& __x) {
         auto guard=lock.write_guard();
         return map.insert(__hint, __x);
     }
     template<typename _Pair, typename = typename
               std::enable_if<std::is_constructible<value_type,
                                _Pair&&>::value>::type>
    iterator
    insert(const_iterator __hint, _Pair&& __x){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.insert(__hint, std::forward<_Pair>(__x));
    }
    template<typename _InputIterator>
    void
    insert(_InputIterator __first, _InputIterator __last){
        auto guard=lock.write_guard();
        map.insert(__first, __last);
    }
    void insert(initializer_list<value_type> __l){
        auto guard=lock.write_guard();
        map.insert(__l);
    }
    iterator  erase(const_iterator __position){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.erase(__position);
    }
    iterator erase(iterator __position){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.erase(__position);
    }
    size_type erase(const key_type& __x){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.erase(__x);
    }
    iterator erase(const_iterator __first, const_iterator __last){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.erase(__first, __last);
    }
    void clear() noexcept{
        auto guard=lock.write_guard();
        map.clear();
    }
    void swap(map_type& __x) noexcept( noexcept(map.swap(__x._M_h)) ){
        auto guard=lock.write_guard();
        map.swap(__x._M_h);
    }
    hasher hash_function() const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.hash_function();
    }
    key_equal key_eq() const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.key_eq();
    }
    iterator find(const key_type& __x){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.find(__x);
    }
    const_iterator find(const key_type& __x) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.find(__x);
    }
    size_type count(const key_type& __x) const {
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.count(__x);
    }
    std::pair<iterator, iterator> equal_range(const key_type& __x){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.equal_range(__x);
    }
    std::pair<const_iterator, const_iterator>
    equal_range(const key_type& __x) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.equal_range(__x);
    }
    mapped_type& operator[](const key_type& __k){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map[__k];
    }
    mapped_type& operator[](key_type&& __k){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map[std::move(__k)];
    }
    mapped_type& at(const key_type& __k){
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.at(__k);
    }
    const mapped_type& at(const key_type& __k) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.at(__k);
    }
    size_type bucket_count() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.bucket_count();
    }

    size_type max_bucket_count() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.max_bucket_count();
    }
    size_type bucket_size(size_type __n) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.bucket_size(__n);
    }
    size_type bucket(const key_type& __key) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.bucket(__key);
    }
    local_iterator  begin(size_type __n) {
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.begin(__n);
    }
    const_local_iterator  begin(size_type __n) const {
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.begin(__n);
    }
    const_local_iterator cbegin(size_type __n) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.cbegin(__n);
    }
    local_iterator end(size_type __n) {
        auto guard=lock.write_guard();
        return map.end(__n);
    }
    const_local_iterator end(size_type __n) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.end(__n);
    }
    const_local_iterator cend(size_type __n) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.cend(__n);
    }
    float load_factor() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.load_factor();
    }
    float max_load_factor() const noexcept{
        auto guard=lock.read_guard();
        return map.max_load_factor();
    }
    void max_load_factor(float __z){
        auto guard=lock.write_guard();
        map.max_load_factor(__z);
    }
    void rehash(size_type __n){
        auto guard=lock.write_guard();
        map.rehash(__n);
    }
    void reserve(size_type __n){
        auto guard=lock.write_guard();
        map.reserve(__n);
    }

    /*
     * 新增加函数,bool值返回是否找到
     * 返回true时,将value中置为找到的值
     * */
    bool find(const key_type& __x, mapped_type &value) const{
        auto guard=lock.read_guard();
        auto itor=map.find(__x);
        auto found=itor!=map.end();
        if(found)
            value=itor->second;
        return found;
    }
    /*
     * 新增加函数,返回读取锁的RAII对象
     * 在对map进行读取操作时应该先调用此函数
     * */
    raii read_guard()const noexcept{
        return lock.read_guard();
    }
    /*
     * 新增加函数,返回写入锁的RAII对象
     * 在对map进行写入操作时应该先调用此函数
     * */
    raii write_guard()noexcept{
        return lock.write_guard();
    }
    /*
     * 新增加函数
     * 如果指定的key不存在，则增加key->value映射
     * 如果指定的key存在返回key映射的值,否则返回value
     * */
    mapped_type insertIfAbsent(const key_type& key,const mapped_type &value){
        auto guard=lock.write_guard();
        auto itor=map.find(key);
        if (itor==map.end()){
            map.insert(value_type(key, value));
            return value;
        }
        return itor->second;
    }
    /*
     * 新增加函数
     * 如果指定的key存在，则用value替换key映射的值,返回key原来映射的值
     * 否则返回nullptr
     * */
    std::shared_ptr<mapped_type> replace(const key_type& key,const mapped_type &value){
        auto guard=lock.write_guard();
        if (map.find(key)!=map.end()){
            map.insert(value_type(key, value));
            return std::make_shared<mapped_type>(value);
        }
        return std::shared_ptr<mapped_type>();
    }
    /*
     * 新增加函数
     * 如果存在key->value映射，则用newValue替换key映射的值,返回true
     * 否则返回false
     * */
    bool replace(const key_type& key,const mapped_type &value,const mapped_type &newValue){
        auto guard=lock.write_guard();
        auto itor=map.find(key);
        if (itor!=map.end()&&itor->second==value){
            map.insert(value_type(key, newValue));
            return true;
        }
        return false;
    }
    template<typename _Key1, typename _Tp1, typename _Hash1, typename _Pred1,
           typename _Alloc1>
      friend bool
    operator==(const threadsafe_unordered_map<_Key1, _Tp1, _Hash1, _Pred1, _Alloc1>&,
         const threadsafe_unordered_map<_Key1, _Tp1, _Hash1, _Pred1, _Alloc1>&);
};
template<class _Key, class _Tp, class _Hash, class _Pred, class _Alloc>
inline bool
operator==(const threadsafe_unordered_map<_Key, _Tp, _Hash, _Pred, _Alloc>& __x,
           const threadsafe_unordered_map<_Key, _Tp, _Hash, _Pred, _Alloc>& __y)
{
    auto guardx=__x.lock.read_guard();
    auto guardy=__y.lock.read_guard();
    return __x.map._M_equal(__y.map);
}
template<class _Key, class _Tp, class _Hash, class _Pred, class _Alloc>
inline bool
operator!=(const threadsafe_unordered_map<_Key, _Tp, _Hash, _Pred, _Alloc>& __x,
           const threadsafe_unordered_map<_Key, _Tp, _Hash, _Pred, _Alloc>& __y)
{
    auto guardx=__x.lock.read_guard();
    auto guardy=__y.lock.read_guard();
    return !(__x == __y);
}
}/* namespace mt */
}/* namespace gdface */
#endif /* COMMON_SOURCE_CPP_THREADSAFE_UNORDERED_MAP_H_ */

说明:

因为RWLock禁止复制构造函数和赋值操作符,所以threadsafe_unordered_map也禁止复制构造函数和赋值操作符。

另外在类中增加几个用于多线程环境的函数(见源码中的中文注释),

当你需要对map加锁时需要用到raii write_guard()noexcept和raii read_guard()const noexcept。关于这两个函数返回的raii类参见我另一篇博客《C++11实现模板化(通用化)RAII机制》

而bool find(const key_type& __x, mapped_type &value) const则用于多线程环境查找__x对应的值。

下面三个新增加函数是参照java中ConcurrentMap<K,V>接口实现的

mapped_type insertIfAbsent(const key_type& key,const mapped_type &value);
std::shared_ptr<mapped_type> replace(const key_type& key,const mapped_type &value);
bool replace(const key_type& key,const mapped_type &value,const mapped_type &newValue)

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原始发表：2016年07月30日，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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