4. 读写锁（rwlock）与顺序锁（seqlock）

在多核并发编程中，读多写少的场景极为常见。传统的自旋锁或互斥锁在读者之间也强制互斥，导致大量无竞争的读者串行化，严重降低吞吐量。读写锁（rwlock）与顺序锁（seqlock）正是为解决此类场景而设计的轻量级同步原语。本章深入剖析两者的读者-写者模型、实现原理及适用边界。

4.1 读写锁（rwlock）：读者-写者模型

读写锁区分两种访问模式：读者（Reader） 和 写者（Writer）。多个读者可以同时持有锁；写者必须等待所有读者和写者释放锁后才能进入临界区。

4.1.1 读者-写者模型语义

4.1.2 内核 API 与使用示例

Linux 内核提供两套读写锁接口：经典 rwlock_t 和实时友好的 rwlock_t（在 PREEMPT_RT 下退化为互斥锁）。

#include <linux/rwlock.h>

rwlock_t my_rwlock;

// 读者路径
read_lock(&my_rwlock);
/* 只读临界区：读取共享数据 */
read_unlock(&my_rwlock);

// 写者路径
write_lock(&my_rwlock);
/* 读写临界区：修改共享数据 */
write_unlock(&my_rwlock);

4.1.3 读写锁适用场景分析

• 适合：路由表查找、配置参数读取、统计信息收集等读操作远多于写操作的场景。
• 不适合：写操作频繁（写者饥饿）、临界区执行时间长、实时性要求高的系统。
• 性能特征：读者无竞争时仅需原子递增计数器，开销极低；写者竞争时退化为自旋锁。

4.2 顺序锁（seqlock）：轻量级实现

顺序锁是一种写者优先的同步机制，其核心思想是：写者无需等待读者，直接修改数据；读者通过检查序列号判断读取过程中是否发生了写操作。若序列号发生变化，读者必须重试。

4.2.1 工作原理

顺序锁维护一个单调递增的序列号（sequence counter）：

• 写者：先递增序列号（奇数表示写者正在修改），执行写操作，再递增序列号（恢复为偶数）。
• 读者：读取序列号（偶数时有效），执行读操作，再次读取序列号。若两次读取的序列号相同且为偶数，则读取成功；否则重试。

// 顺序锁典型实现（伪代码）
struct seqlock {
    atomic_t seq;  // 序列号，初始为0
};

void write_seqlock(struct seqlock *sl) {
    atomic_inc(&sl->seq);  // 变为奇数，标记写者进入
    smp_mb();              // 内存屏障，确保后续写操作可见
}

void write_sequnlock(struct seqlock *sl) {
    smp_mb();              // 内存屏障，确保写操作完成
    atomic_inc(&sl->seq);  // 变为偶数，标记写者退出
}

unsigned read_seqbegin(const struct seqlock *sl) {
    unsigned seq = atomic_read(&sl->seq);
    smp_rmb();             // 读内存屏障
    return seq;
}

int read_seqretry(const struct seqlock *sl, unsigned start) {
    smp_rmb();             // 读内存屏障
    return atomic_read(&sl->seq) != start;  // 序列号变化则重试
}

4.2.2 读者重试循环模式

// 读者必须使用 do-while 循环保证数据一致性
do {
    seq = read_seqbegin(&my_seqlock);
    /* 读取共享数据 */
    value1 = shared_data.a;
    value2 = shared_data.b;
} while (read_seqretry(&my_seqlock, seq));

4.2.3 顺序锁适用场景分析

4.3 读写锁 vs 顺序锁：对比与选型

4.4 故障排查要点

• 读写锁死锁：检查是否在读者临界区内获取写锁，或写者临界区内获取读锁。使用 lockdep 可自动检测此类问题。
• 写者饥饿：若读者持续持有锁，写者可能无限等待。考虑使用 seqlock 或 RCU 替代。
• 顺序锁活锁：写者过于频繁导致读者永远无法成功读取。监控 /proc/lock_stat 中的重试次数，若重试率过高，需降低写频率或拆分数据域。
• 内存顺序问题：seqlock 依赖内存屏障保证可见性。若自定义实现，务必包含 smp_mb() 或 smp_rmb()，否则在弱排序架构（如 ARM）上可能读到不一致数据。