C++線程間的互斥和通信場景分析
互斥鎖（mutex）
為了更好地理解，互斥鎖，我們可以首先來看這么一個應(yīng)用場景：模擬車站賣票。
模擬車站賣票
場景說明：
Yang車站售賣從亞特蘭蒂斯到古巴比倫的時光飛船票；因為機會難得，所以票數(shù)有限，一經(jīng)發(fā)售，謝絕補票。
飛船票總數(shù)：100張；
售賣窗口：3個。
對于珍貴的飛船票來說，這個資源是互斥的，比如第100張票，只能賣給一個人，不可能同時賣給兩個人。3個窗口都有權(quán)限去售賣飛船票（唯一合法途徑）。
不加鎖的結(jié)果
根據(jù)場景說明，我們可以很快地分析如下：
可以使用三個線程來模擬三個獨立的窗口同時進行賣票；
定義一個全局變量，每當(dāng)一個窗口賣出一張票，就對這個變量進行減減操作。
故寫出如下代碼：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <list>
using namespace std;
int tickets = 100; // 車站剩余票數(shù)總數(shù)
void sellTickets(int win)
{
while (tickets > 0)
{
{
if (tickets > 0)
{
cout << "窗口：" << win << " 賣出了第：" << tickets << "張票!" << endl;
tickets--;
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(400));
}
}
}
int main()
{
list<std::thread> tlist;
for (int i = 1; i <= 3; ++i)
{
tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i));
}
for (std::thread& t : tlist)
{
t.join();
}
cout << "所有窗口賣票結(jié)束！" << endl;
return 0;
}
運行結(jié)果如下：
通過運行，我們可以發(fā)現(xiàn)問題：
對于一張票來說，賣出去了多次！
這不白嫖嗎？？？這合適嗎？
原因也很簡單，對于線程來說，誰先執(zhí)行，誰后執(zhí)行，完全是根據(jù)CPU的調(diào)度，根本不可能掌握清楚。
所以，這個代碼是線程不安全的！
那，怎么解決呢？
當(dāng)然是：互斥鎖了！
加鎖后的結(jié)果
我們對上述代碼做出如下修改：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <list>
#include <mutex>
using namespace std;
int tickets = 100;
std::mutex mtx;
void sellTickets(int win)
{
while (tickets > 0)
{
{
lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
if (tickets > 0)
{
cout << "窗口：" << win << " 賣出了第：" << tickets << "張票!" << endl;
tickets--;
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(400));
}
}
}
int main()
{
list<std::thread> tlist;
for (int i = 1; i <= 3; ++i)
{
tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i));
}
for (std::thread& t : tlist)
{
t.join();
}
cout << "所有窗口賣票結(jié)束！" << endl;
return 0;
}
首先定義了一個全局的互斥鎖std::mutex mtx；接著在對票數(shù)tickets進行減減操作時，定義了lock_guard，這個就相當(dāng)于智能指針scoped_ptr一樣，可以出了作用域自動釋放鎖資源。
運行結(jié)果如下：
我們可以看到這一次，就沒問題了。
簡單總結(jié)
互斥鎖的使用可以有三種：
（首先都需要在全局定義互斥鎖std::mutex mtx）
- 首先可以直接在需要加鎖和解鎖的地方，手動進行：加鎖
mtx.lock()、解鎖mtx.unlock()； - 可以在需要加鎖的地方定義保護鎖：
lock_guard<std::mutex> lock(mtx)，這個鎖在定義的時候自動上鎖，出了作用域自動解鎖。（其實就是借助了智能指針的思想，定義對象出調(diào)用構(gòu)造函數(shù)底層調(diào)用lock()，出了作用域調(diào)用析構(gòu)函數(shù)底層調(diào)用unlock()）； - 可以在需要加鎖的地方定義唯一鎖：
unique_lock<std::mutex> lock(mtx)，這個鎖和保護鎖類似，但是比保護鎖更加好用。（可以類比智能指針中的scoped_ptr和unique_ptr的區(qū)別，二者都是將拷貝構(gòu)造和賦值重載函數(shù)刪除了，但是unique_ptr和unique_lock都定義了帶有右值引用的拷貝構(gòu)造和賦值）
條件變量（conditon_variable）
如果說，互斥鎖是為了解決線程間互斥的問題，那么，條件變量就是為了解決線程間通信的問題。
同樣的，我們可以首先來看一個問題（模型）：
生產(chǎn)者消費者線程模型
生產(chǎn)者消費者線程模型是一個很經(jīng)典的線程模型；
首先會有兩個線程，一個是生產(chǎn)者，一個是消費者，生產(chǎn)者只負(fù)責(zé)生產(chǎn)資源，消費者只負(fù)責(zé)消費資源。
產(chǎn)生問題
根據(jù)上述互斥鎖的理解，我們可以寫出如下代碼：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <queue>
using namespace std;
std::mutex mtx;
class Queue
{
public:
void put(int num)
{
lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
que.push(num);
cout << "生產(chǎn)者，生產(chǎn)了：" << num << "號產(chǎn)品" << endl;
}
void get()
{
lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
int val = que.front();
que.pop();
cout << "消費者，消費了：" << val << "號產(chǎn)品" << endl;
}
private:
queue<int> que;
};
void producer(Queue* que)
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
que->put(i);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
}
}
void consumer(Queue* que)
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
que->get();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
}
}
int main()
{
Queue que;
std::thread t1(producer, &que);
std::thread t2(consumer, &que);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
同樣的，我們定義了兩個線程：t1、t2分別作為生產(chǎn)者和消費者，并且定義了兩個線程函數(shù)：producer和consumer，這兩個函數(shù)接受一個Queue*的參數(shù)，并且通過這個指針調(diào)用put和get方法，這兩個方法就是往資源隊列里面執(zhí)行入隊和出隊操作。
運行結(jié)果如下：
我們會發(fā)現(xiàn)，出錯了。
多運行幾次試試：
我們發(fā)現(xiàn)，每次運行的結(jié)果還都不一樣，但是都會出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的問題。
仔細(xì)來看這個錯誤原因：
我們再想想這個代碼的邏輯：
一個生產(chǎn)者只負(fù)責(zé)生產(chǎn)；
一個消費者只負(fù)責(zé)消費；
他們共同在隊列里面存取資源；
存取資源操作本身是互斥的。
發(fā)現(xiàn)問題了嗎？
這兩個線程之間彼此的操作獨立，換句話說，
沒有通信！
生產(chǎn)者生產(chǎn)的時候，消費者不知道；
消費者消費的時候，生產(chǎn)者也不知道；
但是消費者是要從隊列里面取資源的，如果某一個時刻，隊列里為空了，它就不能取了！
解決問題
分析完問題之后，我們知道了：
問題出在：沒有通信上面。
那么如何解決通信問題呢？
當(dāng)然就是：條件變量了！
我們做出如下代碼的修改：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <queue>
#include <condition_variable>
using namespace std;
std::mutex mtx; // 互斥鎖，用于線程間互斥
std::condition_variable cv;// 條件變量，用于線程間通信
class Queue
{
public:
void put(int num)
{
unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
while (!que.empty())
{
cv.wait(lck);
}
que.push(num);
cv.notify_all();
cout << "生產(chǎn)者，生產(chǎn)了：" << num << "號產(chǎn)品" << endl;
}
void get()
{
unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
while (que.empty())
{
cv.wait(lck);
}
int val = que.front();
que.pop();
cv.notify_all();
cout << "消費者，消費了：" << val << "號產(chǎn)品" << endl;
}
private:
queue<int> que;
};
void producer(Queue* que)
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
que->put(i);
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
}
}
void consumer(Queue* que)
{
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
que->get();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
}
}
int main()
{
Queue que;
std::thread t1(producer, &que);
std::thread t2(consumer, &que);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}
這個時候我們再來看運行結(jié)果：
這個時候就是：
生產(chǎn)一個、消費一個。
原子類型（atomic）
我們前面遇到線程不安全的問題，主要是因為涉及++、--操作的時候，有可能被其他的線程干擾，所以使用了互斥鎖。
只允許得到鎖的線程進行操作；
其他沒有得到鎖的線程只能眼巴巴的干看著。
但是，對于互斥鎖來說，它是比較重的，它對于臨界區(qū)代碼做的事情比較復(fù)雜。
簡單來說，如果只是為了++、--這樣的簡單操作互斥的話，使用互斥鎖，就有點殺雞用牛刀的意味了。
那么有沒有比互斥鎖更加輕量的，并且能夠解決問題的呢？
當(dāng)然有，就是我們要說的原子類型。
簡單使用
我們可以簡單設(shè)置一個場景：
定義十個線程，對一個公有的變量myCount進行task的操作，該操作是對變量進行100次的++。
所以，如果順利，我們會最終得到myCount = 1000。
代碼如下：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <list>
volatile std::atomic_bool isReady = false;
volatile std::atomic_int myCount = 0;
void task()
{
while (!isReady)
{
// 線程讓出當(dāng)前的CPU時間片，等待下一次調(diào)度
std::this_thread::yield();
}
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
myCount++;
}
}
int main()
{
std::list<std::thread> tlist;
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
tlist.push_back(std::thread(task));
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
isReady = true;
for (std::thread& it : tlist)
{
it.join();
}
std::cout << "myCount:" << myCount << std::endl;
return 0;
}
運行結(jié)果如下：
改良車站賣票
對于原子類型來說，使用方法非常簡單：
首先包含頭文件：#include <atomic>；
接著把需要原子操作的變量定義為對應(yīng)的原子類型就好：
bool -> atomic_bool;
int -> atomic_int;
其他同理。
理解了這個以后，我們可以使用原子類型對我們的車站賣票進行改良：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <list>
#include <mutex>
#include <atomic>
using namespace std;
std::atomic_int tickets = 100; // 車站剩余票數(shù)總數(shù)
void sellTickets(int win)
{
while (tickets > 0)
{
tickets--;
cout << "窗口：" << win << " 賣出了第：" << tickets << "張票!" << endl;
}
}
int main()
{
list<std::thread> tlist;
for (int i = 1; i <= 3; ++i)
{
tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i));
}
for (std::thread& t : tlist)
{
t.join();
}
cout << "所有窗口賣票結(jié)束！" << endl;
return 0;
}
可以看到，從代碼長度來說就輕量了很多！
運行結(jié)果如下：
雖然還有部分打印亂序的情況：
（畢竟線程的執(zhí)行順序誰也摸不清 😦 ）
但是，代碼的邏輯沒有問題！
不會出現(xiàn)一張票被賣了多次的情況！
這個原子類型也被叫做：無鎖類型，像是一些無鎖隊列之類的實現(xiàn)，就是靠的這個東西。
以上就是C++線程間的互斥和通信的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++線程間通信的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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