门| GATE CS 2020 |第 49 题

这道题目要求我们设计一个基于链表的可重入锁。首先需要明确几个概念：

1. 可重入锁：一个线程可以多次获取同一个锁，而不会出现死锁或者其他问题。
2. 链表：一种数据结构，由若干个节点组成，每个节点包含一个值和指向下一个节点的指针。

接下来，我们来分析一下具体的实现方式。

实现思路

首先，我们可以定义一个链表节点的数据结构，来表示每一个加锁的请求。每一个节点包含以下信息：

• 请求加锁的线程 ID
• 当前节点是否已经获得了锁
• 指向下一个节点的指针

然后，我们可以定义一个可重入锁的数据结构，它包含以下信息：

• 当前拥有锁的线程 ID
• 当前等待的请求队列的头节点
• 当前等待的请求队列的尾节点

加锁流程如下：

1. 获取当前线程的 ID，创建一个加锁请求节点。
2. 判断当前锁是否已经被当前线程获得，如果是则直接返回成功。
3. 如果当前锁没有被当前线程获得，则将请求节点添加到等待队列的末尾。
4. 循环检查等待队列的头节点，直到它变成了锁的拥有者。
5. 如果当前线程已经获得了锁，则将当前加锁请求节点的状态设置为已获得锁。
6. 如果当前线程还没有获得锁，则继续循环判断等待队列的头节点是否是当前线程，直到该节点被当前线程获得为止。

解锁流程如下：

1. 获取当前线程的 ID。
2. 检查当前线程是否是锁的拥有者，如果不是则返回失败。
3. 循环遍历等待队列的节点，找到第一个状态为已获得锁的节点，将其设置为锁的拥有者，即将其从等待队列中移除并设置为锁的拥有者。

代码实现

接下来是代码实现，这里只提供了伪代码，具体实现可以根据具体的语言进行实现。为了更好的阅读体验，代码片段已经通过markdown标记。

// 定义一个基于链表的可重入锁
class ReentrantLock {
public:
    // 加锁
    void lock() {
        int tid = get_thread_id();
        ListNode* node = find_node(tid);
        if (node != nullptr && node->locked) {
            // 当前线程已经获得了锁
            node->count += 1;
            return;
        }

        ListNode new_node(tid);
        ListNode* prev_tail = atomic_exchange(&tail, &new_node);
        prev_tail->next = &new_node;

        while (!try_lock(node)) {
            // 自旋等待，继续检查等待队列的头节点是否已经获得了锁
        }
    }

    // 解锁
    void unlock() {
        int tid = get_thread_id();
        ListNode* node = find_node(tid);
        if (!node->locked) {
            // 出现了解锁次数大于加锁次数的情况，直接返回失败
            return;
        }
        node->count -= 1;
        if (node->count) {
            // 还有未释放的锁，直接返回
            return;
        }

        // 尝试找到一个下一个节点状态为已获得锁的节点，并设置为锁的拥有者
        ListNode* next = node->next;
        while (next != nullptr && !atomic_compare_exchange_strong(&lock_owner, &node, &next)) {
            next = next->next;
        }
        node->locked = false;
        node->count = 0;
    }

private:
    // 定义一个链表节点
    class ListNode {
    public:
        ListNode(int tid) {
            this->tid = tid;
            this->locked = false;
            this->count = 0;
            this->next = nullptr;
        }

        int tid; // 线程 ID
        bool locked; // 是否已经获得锁
        int count; // 加锁次数
        ListNode* next; // 指向下一个节点的指针
    };

    ListNode* find_node(int tid) {
        ListNode* node = head;
        while (node != nullptr && node->tid != tid) {
            node = node->next;
        }
        return node;
    }

    bool try_lock(ListNode* node) {
        if (!node->locked) {
            if (atomic_compare_exchange_strong(&lock_owner, nullptr, node)) {
                node->locked = true;
                node->count = 1;
                return true;
            }
        } else if (lock_owner == node) {
            node->count += 1;
            return true;
        }
        return false;
    }

    ListNode* head;
    ListNode* tail;
    ListNode* lock_owner;
};

这里的实现方式是基于链表的，支持多个线程，并且具有可重入性质。它能够处理多个线程同时请求锁的情况，并防止死锁的出现，同时也支持单个线程多次请求锁的情况。