Scheme 语言并发锁库实现互斥锁与读写锁
Scheme 语言作为一种函数式编程语言，以其简洁、优雅和强大的表达能力而著称。在并发编程中，锁是保证数据一致性和线程安全的重要机制。本文将围绕 Scheme 语言，实现一个简单的并发锁库，包括互斥锁和读写锁两种类型。
互斥锁
互斥锁（Mutex Lock）是一种基本的同步机制，它确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源。在 Scheme 语言中，我们可以使用一个原子操作来实现互斥锁。
互斥锁的接口设计
scheme
(define (make-mutex)
(let ((locked? f))
(lambda (mutex)
(if locked?
(begin
(sleep 1) ; 模拟锁等待
(mutex mutex))
(begin
(set! locked? t)
t)))))
在这个接口中，`make-mutex` 函数创建一个新的互斥锁。互斥锁是一个匿名函数，它接受一个互斥锁对象作为参数。如果锁已经被占用（`locked?` 为真），则调用者将被阻塞，直到锁被释放。如果锁未被占用，则将 `locked?` 设置为真，并返回 `t`。
互斥锁的使用示例
scheme
(define mutex (make-mutex))
(define (critical-section)
(mutex mutex)
(display "Critical section: ")
(newline)
(mutex mutex))
(define (thread-function)
(for ((i 0) (< i 10))
(critical-section)))
(define (start-threads)
(thread (lambda () (thread-function)))
(thread (lambda () (thread-function))))
(start-threads)
在这个示例中，我们创建了一个互斥锁 `mutex`，并在 `critical-section` 函数中使用它来保护临界区。我们创建了两个线程，它们都尝试执行 `critical-section` 函数。由于互斥锁的存在，这两个线程不会同时进入临界区。
读写锁
读写锁（Read-Write Lock）允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。读写锁通常用于读操作远多于写操作的场景，以提高并发性能。
读写锁的接口设计
scheme
(define (make-rwlock)
(let ((readers 0)
(writers 0)
(write-locked? f))
(lambda (mutex lock-op)
(case lock-op
('read (begin
(mutex mutex)
(if write-locked?
(begin
(sleep 1)
(mutex mutex))
(begin
(set! readers (+ readers 1))
(if (= readers 1)
(mutex mutex))))
t))
('write (begin
(mutex mutex)
(set! write-locked? t)
(set! writers (+ writers 1))
(mutex mutex)
t))
('unlock-read (begin
(mutex mutex)
(set! readers (- readers 1))
(if (= readers 0)
(mutex mutex))
t))
('unlock-write (begin
(mutex mutex)
(set! writers (- writers 1))
(set! write-locked? f)
(mutex mutex)
t))))))
(define (make-mutex)
(let ((locked? f))
(lambda (mutex)
(if locked?
(begin
(sleep 1)
(mutex mutex))
(begin
(set! locked? t)
t)))))
在这个接口中，`make-rwlock` 函数创建一个新的读写锁。读写锁使用一个互斥锁来保护内部状态，并提供了四种操作：读取锁、写入锁、释放读取锁和释放写入锁。
读写锁的使用示例
scheme
(define mutex (make-mutex))
(define rwlock (make-rwlock))
(define (read-section)
(rwlock rwlock 'read)
(display "Read section: ")
(newline)
(rwlock rwlock 'unlock-read))
(define (write-section)
(rwlock rwlock 'write)
(display "Write section: ")
(newline)
(rwlock rwlock 'unlock-write))
(define (thread-function)
(for ((i 0) (< i 10))
(read-section)
(write-section)))
(define (start-threads)
(thread (lambda () (thread-function)))
(thread (lambda () (thread-function))))
(start-threads)
在这个示例中，我们创建了两个读写锁，一个用于读取操作，另一个用于写入操作。我们创建了两个线程，它们交替执行读取和写入操作。由于读写锁的存在，读取和写入操作不会相互干扰。
总结
本文介绍了在 Scheme 语言中实现互斥锁和读写锁的方法。通过使用原子操作和互斥锁，我们可以确保线程安全并提高并发性能。这些锁的实现可以作为并发编程的基础，为更复杂的并发程序提供支持。
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