قفل القراء والكتاب

في علوم الحاسوب ، يُعدّ قفل القراءة والكتابة ( قفل كاتب واحد ، ^{[ 1 ]} قفل قارئ متعدد ، ^{[ 2 ]} قفل دفع ، ^{[ 3 ]} أو قفل MRSW ) أداةً أساسيةً للتزامن تُعالج إحدى مشكلات القراءة والكتابة . يسمح قفل القراءة والكتابة بالوصول المتزامن لعمليات القراءة فقط، بينما تتطلب عمليات الكتابة وصولًا حصريًا. هذا يعني أن عدة خيوط يمكنها قراءة البيانات بالتوازي، ولكن يلزم وجود قفل حصري لكتابة البيانات أو تعديلها. عندما يقوم كاتب بكتابة البيانات، يتم حظر جميع الكُتّاب والقراء الآخرين حتى ينتهي الكاتب من الكتابة. من الاستخدامات الشائعة لهذا القفل التحكم في الوصول إلى بنية بيانات في الذاكرة لا يمكن تحديثها بشكل ذري ، وتكون غير صالحة (ولا ينبغي قراءتها بواسطة خيط آخر) حتى يكتمل التحديث.

عادة ما يتم إنشاء أقفال القراءة والكتابة فوق mutexes ومتغيرات الحالة ، أو فوق semaphores .

تسمح بعض أقفال القراءة والكتابة بترقية القفل بشكل ذري من وضع القراءة إلى وضع الكتابة، وكذلك تخفيضه من وضع الكتابة إلى وضع القراءة. ^{[ 4 ]} تُعد ترقية القفل من وضع القراءة إلى وضع الكتابة عرضةً لحالات الجمود، إذ عندما يحاول خيطان يحملان أقفال قراءة الترقية إلى أقفال كتابة، ينشأ جمود لا يمكن حله إلا بتحرير أحد الخيوط لقفل القراءة الخاص به. يمكن تجنب الجمود بالسماح لخيط واحد فقط بالحصول على القفل في "وضع القراءة بنية الترقية إلى وضع الكتابة" في حين لا توجد خيوط في وضع الكتابة، وربما توجد خيوط غير صفرية في وضع القراءة.

يمكن تصميم أقفال القراءة والكتابة بسياسات أولوية مختلفة للوصول للقراءة والكتابة. يمكن تصميم القفل إما لإعطاء الأولوية دائمًا للقراء ( تفضيل القراءة )، أو لإعطاء الأولوية دائمًا للكتاب ( تفضيل الكتابة )، أو تركه دون تحديد للأولوية. تؤدي هذه السياسات إلى مفاضلات مختلفة فيما يتعلق بالتزامن وحالات الحرمان من الوصول .

• تتيح أقفال RW ذات أولوية القراءة أقصى قدر من التزامن، ولكنها قد تؤدي إلى حرمان الكتابة إذا كان التنافس شديدًا. وذلك لأن خيوط الكتابة لن تتمكن من الحصول على القفل طالما أن خيط قراءة واحد على الأقل يحتفظ به. وبما أن عدة خيوط قراءة قد تحتفظ بالقفل في وقت واحد، فهذا يعني أن خيط الكتابة قد يستمر في انتظار القفل بينما تتمكن خيوط قراءة جديدة من الحصول عليه، حتى إلى الحد الذي قد يظل فيه الكاتب ينتظر بعد أن تُحرر جميع خيوط القراءة التي كانت تحتفظ بالقفل عند محاولته الأولى للحصول عليه القفل. قد تكون أولوية القراءة ضعيفة ، كما وُصف للتو، أو قوية ، مما يعني أنه كلما حرر الكاتب القفل، فإن أي قراء معطلين سيحصلون عليه تاليًا. ^{[ 5 ] : 76}
• تتجنب أقفال القراءة والكتابة ذات الأولوية للكتابة مشكلة نقص الكاتب بمنع أي قارئ جديد من الحصول على القفل إذا كان هناك كاتب في قائمة الانتظار؛ إذ يحصل الكاتب على القفل بمجرد انتهاء جميع القراء الذين كانوا يحملونه بالفعل. ^{[ 6 ]} أما عيب هذه الأقفال فهو أنها تسمح بتزامن أقل في وجود خيوط الكتابة، مقارنةً بأقفال القراءة والكتابة ذات الأولوية للقراءة. كما أن أداء القفل أقل لأن كل عملية، سواءً للحصول على القفل أو تحريره للقراءة أو الكتابة، أكثر تعقيدًا، إذ تتطلب داخليًا الحصول على قفلين وتحريرهما بدلًا من واحد. يُعرف هذا النوع أحيانًا باسم قفل القراءة والكتابة "المتحيز للكتابة". ^{[ 7 ]}
• لا توفر أقفال القراءة والكتابة ذات الأولوية غير المحددة أي ضمانات فيما يتعلق بالوصول للقراءة مقابل الكتابة. قد تكون الأولوية غير المحددة مفضلة في بعض الحالات إذا سمحت بتنفيذ أكثر كفاءة.

توجد عدة استراتيجيات لتنفيذ أقفال القراءة والكتابة، مما يقللها إلى بدائيات التزامن التي يُفترض أنها موجودة مسبقًا.

اضبط قيمة b على 0. تم فتح قفل r . تم فتح قفل g .

قفل r . زيادة ب . إذا كانت قيمة b تساوي 1 ، فقم بقفل g . افتح r .

قفل r . انخفاض ب . إذا كانت قيمة b تساوي 0 ، فقم بفك قفل g . افتح r .

قفل ز .

افتح g .

قفل g طالما أن عدد الكتاب المنتظرين أكبر من 0 أو أن الكاتب نشط : انتظر الشرط ، g [ أ ] زيادة عدد القراء النشطين فتح قفل g .

قفل g إنقاص عدد القراء النشطين إذا كان عدد القراء النشطين = 0 : إشعار الشرط (بث) افتح g .

قم بقفل g وزيادة عدد الكتاب المنتظرين طالما أن عدد القراء النشطين أكبر من 0 أو أن الكاتب نشط : انتظر الشرط ، g قلل عدد الكتاب المنتظرين ، اضبط الكاتب النشط على صحيح، افتح g .

قفل g، ضبط writer_active على false ، إخطار cond (بث) افتح g .

• معيار POSIXpthread_rwlock_t والعمليات المرتبطة به ^{[ 11 ]}
• واجهة ReadWriteLock ^{[ 12 ]} وأقفال ReentrantReadWriteLock ^{[ 7 ]} في إصدار Java 5 أو أعلى
• System.Threading.ReaderWriterLockSlimقفل مايكروسوفت للغة C# ولغات .NET الأخرى ^{[ 13 ]}
• std::shared_mutexقفل القراءة/الكتابة في C++17 ^{[ 14 ]}
• boost::shared_mutexوالأقفال boost::upgrade_mutexفي مكتبات Boost C++ ^{[ 15 ]}
• SRWLockتمت إضافتها إلى واجهة برمجة تطبيقات نظام التشغيل ويندوز اعتبارًا من ويندوز فيستا . ^{[ 16 ]}
• sync.RWMutexفي لغة جو ^{[ 17 ]}
• قفل القراءة والكتابة العادل للمرحلة، والذي يتناوب بين القراء والكتاب ^{[ 18 ]}
• std::sync::RwLockقفل القراءة/الكتابة في لغة Rust ^{[ 19 ]}
• Poco::RWLock في مكتبات POCO C++
• mse::recursive_shared_timed_mutexيوجد في مكتبة SaferCPlusPlus إصدار std::shared_timed_mutexيدعم دلالات الملكية المتكررة لـ std::recursive_mutex.
• txrwlock.ReadersWriterDeferredLockقفل القراءة/الكتابة لـ Twisted ^{[ 20 ]}
• rw_semaphoreفي نواة لينكس ^{[ 21 ]}

استخدم std :: sync :: RwLock ؛let lock = RwLock :: new ( 5 );// يمكن الاحتفاظ بالعديد من أقفال القراءة في وقت واحد { let r1 = lock.read ( ). unwrap ( ) ; let r2 = lock.read (). unwrap ( ); assert_eq! ( * r1 , 5 ); assert_eq! ( * r2 , 5 ); } // يتم إسقاط أقفال القراءة عند هذه النقطة// لا يمكن الاحتفاظ إلا بقفل كتابة واحد، مع ذلك { let mut w = lock.write (). unwrap ( ) ; * w += 1 ; assert_eq! ( * w , 6 ); } // يتم إسقاط قفل الكتابة هنا

تُعدّ خوارزمية القراءة والنسخ والتحديث (RCU) أحد حلول مشكلة القراء والكتاب. وتتميز هذه الخوارزمية بأنها لا تتطلب انتظارًا من جانب القراء. أما نواة لينكس، فتُطبّق حلاً خاصًا لعدد قليل من الكتاب يُسمى seqlock .

• السيمفور (البرمجة)
• الاستبعاد المتبادل
• نمط الجدولة
• نمط النفور
• قفل الملفات
• قفل (علوم الحاسوب)
• مشكلة القراء والكتاب