嘗試在C++裡實現 Java 的 synchronized 關鍵字

　　話說Java裡有個很強大的關鍵字叫synchronized，可以方便的實現線程同步。今天異想天開，嘗試在C++裡類比一個類似的。

　　最近在學習C++的STL，看見智能指標這章節時，無不感歎利用語言的豐富特徵，來各種實現各種巧妙的構思。最經典的莫過於使用棧物件建構/解構函式，來維護局部資源的初始化和釋放。照著這個巧妙的方法，依樣畫葫蘆自己也來寫一個，來實現局部代碼線程同步。

　　Java裡的synchronized有兩種形式，一種是基於函數的，另種則是語塊的。前者受C++的文法所限，估計是沒法實現了，所以就嘗試後者。
　　塊級文法很簡單：

synchronized(syncObject) {    // code}

　　
　　因為Java所有變數都繼承於Object，所以任意變數都能當作鎖用。這在C++裡無法簡易實現，因此我們用特定的類型執行個體當作同步變數使用。
　　先從最經典簡易的同步類說起。

struct Lock : CRITICAL_SECTION {    Lock() {        ::InitializeCriticalSection(this);    }    ~Lock() {        ::DeleteCriticalSection(this);    }    void Enter() {        ::EnterCriticalSection(this);    }    void Leave() {        ::LeaveCriticalSection(this);    }};

 

　　這是windows下實現線程同步最常見的封裝。只需聲明一個Lock執行個體，在需要同步的代碼前後分別調用Enter和Leave即可。
　　既然用起來這麼簡單，為什麼還要繼續改進？顯然這種方法有個很大的缺陷，如果忘了調用Leave，或者在調用之前就return/throw退出，那麼就會引起死結。
　　所以，我們需要類似auto_ptr的機制，自動維護棧資料的建立和刪除。就暫且稱它_auto_lock吧。

struct _auto_lock {    Lock& _lock;    _auto_lock(Lock& lock) : _lock(lock) {        _lock.Enter();    }    ~_auto_lock() {        _lock.Leave();    }};

　　_auto_lock通過引用一個Lock執行個體來初始化，並立即鎖住臨界區；被銷毀時則釋放鎖。

　　有了這個機制，我們再也不用擔心忘了調用.Leave()。只需提供一個Lock對象，就能在當前語塊自動加鎖解鎖。再也不用擔心死結的問題了。

Lock mylock; void Test(){    // code1 ...     // syn code    {        _auto_lock x(mylock);    }     // code2 ...}

　　進入syn code的"{"之後，_auto_lock被構造；無論用那種方式離開"}"，解構函式都會被調用。
　　上述代碼類似的在stl和boost裡都是及其常見的。利用棧對象的構造/解構函式維護局部資源，算是C++很常用的一技巧。
　　我們的目標又近了一步。下面開始利用經典的宏定義，製造一顆synchronized文法糖，最終實現這樣的文法：

Lock mylock; void Test(){    // code1 ...     synchronized(mylock)    {        // sync code    }     // code2 ...}

　　顯然需要一個叫synchronized宏，並且在裡面定義_auto_lock。

#define synchronized(lock)        ..... _auto_lock x(lock) ......

　　乍一看這文法很像迴圈，並且要在迴圈內定義變數，所以用for(;;)的結構是再好不過了。

for(_auto_lock x(mylock); ; )

　　不過sync code我們只需執行一次，所以還需另一個變數來控制次數。由於for裡面只能聲明一種類型的變數，所以我們在外面再套一層迴圈：

for(int _i=0; _i<1; _i++)for(_auto_lock x(mylock); _i<1; _i++)

　　synchronized宏將mylock替換成上述代碼，既沒有違反文法，也實現相同的流程。得益於迴圈文法，甚至可以在synchronized內使用break來跳出同步塊！

　　
　　我們將上述代碼整理下，並做個簡單的測試。

#include <stdio.h>#include <windows.h>#include <process.h>struct Lock : CRITICAL_SECTION {    Lock() {        ::InitializeCriticalSection(this);    }    ~Lock() {        ::DeleteCriticalSection(this);    }    void Enter() {        ::EnterCriticalSection(this);    }    void Leave() {        ::LeaveCriticalSection(this);    }};struct _auto_lock {    Lock& _lock;    _auto_lock(Lock& lock) : _lock(lock) {        _lock.Enter();    }    ~_auto_lock() {        _lock.Leave();    }};#define synchronized(lock)        for(int _i=0; _i<1; _i++)for(_auto_lock lock##_x(lock); _i<1; _i++)// ---------- demo ----------Lock mylock;// ---------- test1 ----------void WaitTest(int id){    printf("No.%d waiting...\n", id);    synchronized(mylock)    {        Sleep(1000);    }    printf("No.%d done\n", id);}void Test1(){    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))WaitTest, 0, (void*) 1);    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))WaitTest, 0, (void*) 2);    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))WaitTest, 0, (void*) 3);}// ---------- test2 ----------void ThrowFunc(int id){    printf("No.%d waiting...\n", id);    synchronized(mylock)    {        Sleep(1000);        throw "some err";    }    printf("No.%d done\n", id);}void ThrowTest(int id){    try    {        ThrowFunc(id);    }    catch(...)    {        printf("%d excepted\n", id);    }}void Test2(){    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))ThrowTest, 0, (void*) 1);    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))ThrowTest, 0, (void*) 2);    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))ThrowTest, 0, (void*) 3);}// ---------- test3 ----------void BreakTest(int id){    printf("No.%d waiting...\n", id);    synchronized(mylock)    {        Sleep(1000);        break;        Sleep(99999999);    }    printf("No.%d done\n", id);}void Test3(){    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))BreakTest, 0, (void*) 1);    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))BreakTest, 0, (void*) 2);    _beginthread((void(__cdecl*)(void*))BreakTest, 0, (void*) 3);}int main(int argc, char* argv[]){    printf("Wait Test. Press any key to start...\n");    getchar();    Test1();    getchar();    printf("Exception Test. Press any key to start...\n");    getchar();    Test2();    getchar();    printf("Break Test. Press any key to start...\n");    getchar();    Test3();    getchar();    return 0;}

　　

　　使用文法糖除了好看外，有個最重要的功能就是可以在synchronized同步塊裡使用break來跳出，並且不會引起死結，這是其他方法無法實現的。