C++11各種鎖的具體使用

更新時(shí)間：2021年08月10日 11:38:30 作者：1390811049

本文主要介紹了C++11各種鎖的具體使用，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

Mutex（互斥鎖）

什么是互斥量（鎖）？

這樣比喻：單位上有一臺(tái)打印機(jī)（共享數(shù)據(jù)a），你要用打印機(jī)（線程1要操作數(shù)據(jù)a），同事老王也要用打印機(jī)(線程2也要操作數(shù)據(jù)a)，但是打印機(jī)同一時(shí)間只能給一個(gè)人用，此時(shí)，規(guī)定不管是誰，在用打印機(jī)之前都要向領(lǐng)導(dǎo)申請(qǐng)?jiān)S可證（lock），用完后再向領(lǐng)導(dǎo)歸還許可證(unlock)，許可證總共只有一個(gè),沒有許可證的人就等著在用打印機(jī)的同事用完后才能申請(qǐng)?jiān)S可證(阻塞，線程1lock互斥量后其他線程就無法lock,只能等線程1unlock后，其他線程才能lock)。那么，打印機(jī)就是共享數(shù)據(jù)，訪問打印機(jī)的這段代碼就是臨界區(qū)，這個(gè)必須互斥使用的許可證就是互斥量（鎖）。

互斥量是為了解決數(shù)據(jù)共享過程中可能存在的訪問沖突的問題。這里的互斥量保證了使用打印機(jī)這一過程不被打斷。

死鎖

多線程編程時(shí)要考慮多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源所造成的問題，因此可以通過加鎖解鎖來保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問共享資源；使用鎖的時(shí)候要注意，不能出現(xiàn)死鎖的狀況；

死鎖就是多個(gè)線程爭奪共享資源導(dǎo)致每個(gè)線程都不能取得自己所需的全部資源，從而程序無法向下執(zhí)行。

產(chǎn)生死鎖的四個(gè)必要條件（面試考點(diǎn)）：

互斥（資源同一時(shí)刻只能被一個(gè)進(jìn)程使用）請(qǐng)求并保持（進(jìn)程在請(qǐng)資源時(shí)，不釋放自己已經(jīng)占有的資源）不剝奪（進(jìn)程已經(jīng)獲得的資源，在進(jìn)程使用完前，不能強(qiáng)制剝奪）循環(huán)等待（進(jìn)程間形成環(huán)狀的資源循環(huán)等待關(guān)系）互斥量mutex

互斥量mutex就是互斥鎖，加鎖的資源支持互斥訪問

直接操作 mutex，即直接調(diào)用 mutex 的 lock / unlock 函數(shù)

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>


std::mutex g_mutex;
int g_count = 0;

void Counter() {
  g_mutex.lock();

  int i = ++g_count;
  std::cout << "count: " << i << std::endl;

  // 前面代碼如有異常，unlock 就調(diào)不到了。
  g_mutex.unlock();
}

int main() {
  const std::size_t SIZE = 4;

  // 創(chuàng)建一組線程。
  std::vector<std::thread> v;
  v.reserve(SIZE);

  for (std::size_t i = 0; i < SIZE; ++i) {
    v.emplace_back(&Counter);
  }

  // 等待所有線程結(jié)束。
  for (std::thread& t : v) {
    t.join();
  }

  return 0;
}

lock_guard

使用 lock_guard 自動(dòng)加鎖、解鎖。原理是 RAII，和智能指針類似。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>

std::mutex g_mutex;
int g_count = 0;

void Counter() {
  // lock_guard 在構(gòu)造函數(shù)里加鎖，在析構(gòu)函數(shù)里解鎖。
  std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);

  int i = ++g_count;
  std::cout << "count: " << i << std::endl;
}

int main() {
  const std::size_t SIZE = 4;

  std::vector<std::thread> v;
  v.reserve(SIZE);

  for (std::size_t i = 0; i < SIZE; ++i) {
    v.emplace_back(&Counter);
  }

  for (std::thread& t : v) {
    t.join();
  }

  return 0;
}

unique_lock

使用 unique_lock 自動(dòng)加鎖、解鎖。
unique_lock 與 lock_guard 原理相同，但是提供了更多功能（比如可以結(jié)合條件變量使用）。
注意：mutex::scoped_lock 其實(shí)就是 unique_lock 的 typedef。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <vector>

std::mutex g_mutex;
int g_count = 0;

void Counter() {
  std::unique_lock<std::mutex> lock(g_mutex);

  int i = ++g_count;
  std::cout << "count: " << i << std::endl;
}

int main() {
  const std::size_t SIZE = 4;

  std::vector<std::thread> v;
  v.reserve(SIZE);

  for (std::size_t i = 0; i < SIZE; ++i) {
    v.emplace_back(&Counter);
  }

  for (std::thread& t : v) {
    t.join();
  }

  return 0;
}

std::recursive_mutex

就像互斥鎖（mutex）一樣，遞歸互斥鎖（recursive_mutex）是可鎖定的對(duì)象，但它允許同一線程獲得對(duì)互斥鎖對(duì)象的多級(jí)所有權(quán)（多次lock）。

這允許從已經(jīng)鎖定它的線程鎖定（或嘗試鎖定）互斥對(duì)象，從而獲得對(duì)互斥對(duì)象的新所有權(quán)級(jí)別：互斥對(duì)象實(shí)際上將保持對(duì)該線程的鎖定，直到調(diào)用其成員 unlock 的次數(shù)與此所有權(quán)級(jí)別的次數(shù)相同。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex> 

std::recursive_mutex mtx;           

void print_block (int n, char c) {
  mtx.lock();
  mtx.lock();
  mtx.lock();
  
  for (int i=0; i<n; ++i) { std::cout << c; }
  std::cout << '\n';
  
  mtx.unlock();
  mtx.unlock();
  mtx.unlock();
}

int main ()
{
  std::thread th1 (print_block,50,'*');
  std::thread th2 (print_block,50,'$');

  th1.join();
  th2.join();

  return 0;
}

std::timed_mutex

定時(shí)互斥鎖是一個(gè)可時(shí)間鎖定的對(duì)象，旨在通知何時(shí)關(guān)鍵代碼需要獨(dú)占訪問，就像常規(guī)互斥鎖一樣，但還支持定時(shí)嘗試鎖定請(qǐng)求。

lock	調(diào)用線程將鎖定timed_mutex，并在必要時(shí)進(jìn)行阻塞（其行為與 mutex 完全相同）
try_lock	嘗試鎖定 timed_mutex，而不進(jìn)行阻塞（其行為與互斥鎖完全相同）
try_lock_for	嘗試鎖定 timed_mutex，最多阻塞 rel_time 時(shí)間
try_lock_until	嘗試鎖定 timed_mutex，最多阻塞到 abs_time 時(shí)間點(diǎn)
unlock	解鎖 timed_mutex，釋放對(duì)其的所有權(quán)（其行為與 mutex 相同）

std::recursive_timed_mutex

遞歸定時(shí)互斥鎖將 recursive_timed 和 timed_mutex 的功能結(jié)合到一個(gè)類中：它既支持通過單個(gè)線程獲
取多個(gè)鎖定級(jí)別又支持定時(shí)的 try_lock 請(qǐng)求。

成員函數(shù)與 timed_mutex 相同。

once_flag、call_once使用

在多線程中，有一種場景是某個(gè)任務(wù)只需要執(zhí)行一次，可以用C++11中的std::call_once函數(shù)配合std::once_flag來實(shí)現(xiàn)。多個(gè)線程同時(shí)調(diào)用某個(gè)函數(shù)，std::call_once可以保證多個(gè)線程對(duì)該函數(shù)只調(diào)用一次

實(shí)現(xiàn)線程安全的單例模式

//h文件
#pragma once
#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <memory>

class Task
{
private:
	Task();
public:
	static Task* task;
	static Task* getInstance();
	void fun();
};
//cpp文件
Task* Task::task;
Task::Task()
{
	std::cout << "構(gòu)造函數(shù)" << std::endl;
}

Task* Task::getInstance()
{
	static std::once_flag flag;
	std::call_once(flag, []
	{
		task = new Task();
	});
	return task;
}

void Task::fun()
{
	std::cout << "hello world!"<< std::endl;
}

條件變量condition_variable:

需要#include<condition_variable>，該頭文件中包含了條件變量相關(guān)的類，其中包括std::condition_variable類

如何使用？std::condition_variable類搭配std::mutex類來使用，std::condition_variable對(duì)象(std::condition_variable cond;)的作用不是用來管理互斥量的，它的作用是用來同步線程，它的用法相當(dāng)于編程中常見的flag標(biāo)志（A、B兩個(gè)人約定flag=true為行動(dòng)號(hào)角，默認(rèn)flag為false,A不斷的檢查flag的值,只要B將flag修改為true，A就開始行動(dòng)）。

類比到std::condition_variable，A、B兩個(gè)人約定notify_one為行動(dòng)號(hào)角，A就等著（調(diào)用wait(),阻塞）,只要B一調(diào)用notify_one，A就開始行動(dòng)（不再阻塞）。

std::condition_variable的具體使用代碼實(shí)例可以參見文章中“生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題”章節(jié)。

wait(locker) :

wait函數(shù)需要傳入一個(gè)std::mutex（一般會(huì)傳入std::unique_lock對(duì)象）,即上述的locker。wait函數(shù)會(huì)自動(dòng)調(diào)用 locker.unlock() 釋放鎖（因?yàn)樾枰尫沛i，所以要傳入mutex）并阻塞當(dāng)前線程，本線程釋放鎖使得其他的線程得以繼續(xù)競爭鎖。一旦當(dāng)前線程獲得notify(通常是另外某個(gè)線程調(diào)用 notify_* 喚醒了當(dāng)前線程)，wait() 函數(shù)此時(shí)再自動(dòng)調(diào)用 locker.lock()上鎖。

cond.notify_one(): 隨機(jī)喚醒一個(gè)等待的線程

cond.notify_all(): 喚醒所有等待的線程

condition_variable的wait

std::condition_variable::wait 有兩個(gè)重載：

void wait( std::unique_lock<std::mutex>& lock );                    (1)	(since C++11)

template< class Predicate >
void wait( std::unique_lock<std::mutex>& lock, Predicate pred );    (2)	(since C++11)

void wait( std::unique_lockstd::mutex& lock )

先unlock之前獲得的mutex，然后阻塞當(dāng)前的執(zhí)行線程。把當(dāng)前線程添加到等待線程列表中，該線程會(huì)持續(xù) block 直到被 notify_all() 或 notify_one() 喚醒。被喚醒后，該thread會(huì)重新獲取mutex，獲取到mutex后執(zhí)行后面的動(dòng)作。

線程block時(shí)候也可能被意外或者錯(cuò)誤喚醒。

template< class Predicate > void wait( std::unique_lockstd::mutex& lock, Predicate pred );

該重載設(shè)置了第二個(gè)參數(shù) Predicate，只有當(dāng)pred為false時(shí)，wait才會(huì)阻塞當(dāng)前線程。蓋崇仔等同于下面：

該情況下，線程被喚醒后，先重新判斷pred的值。如果pred為false，則會(huì)釋放mutex并重新阻塞在wait。因此，該mutex必須有pred的權(quán)限。該重載消除了意外喚醒的影響。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <deque>
#include <chrono>

std::deque<int> q;
std::mutex mu;
std::condition_variable condi;

void function_1()
{
	int count = 10;
	while (count > 0)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);
		q.push_back(count);
		locker.unlock();
		condi.notify_one();			//通知一個(gè)等待線程激活   condi.notify_all()激活所有線程
		count--;
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	}
}

void function_2()
{
	int data = 100;
	while (data > 1)
	{
		std::unique_lock<std::mutex> locker(mu);
		condi.wait(locker,			//解鎖locker,并進(jìn)入休眠  收到notify時(shí)又重新加鎖
			[]() { return !q.empty(); });   //如果q不為空 線程才會(huì)被激活

		data = q.front();
		q.pop_front();
		locker.unlock();

		std::cout << data << std::endl;
	}
}
int main()
{
	std::thread t1(function_1);
	std::thread t2(function_2);

	t1.join();
	t2.join();
	
	return 0;
}

std::shared_mutex

std::shared_mutex 是讀寫鎖，提供兩種訪問權(quán)限的控制：共享性（shared）和排他性（exclusive）。通過lock/try_lock獲取排他性訪問權(quán)限，通過lock_shared/try_lock_shared獲取共享性訪問權(quán)限。這樣的設(shè)置對(duì)于區(qū)分不同線程的讀寫操作特別有用。shared_mutex是c++17中引入的，使用時(shí)需要注意編譯器版本。

#include <iostream>
#include <mutex>  // For std::unique_lock
#include <shared_mutex>
#include <thread>

class ThreadSafeCounter {
 public:
  ThreadSafeCounter() = default;

  // Multiple threads/readers can read the counter's value at the same time.
  unsigned int get() const {
    std::shared_lock lock(mutex_);
    return value_;
  }

  // Only one thread/writer can increment/write the counter's value.
  void increment() {
    std::unique_lock lock(mutex_);
    value_++;
  }

  // Only one thread/writer can reset/write the counter's value.
  void reset() {
    std::unique_lock lock(mutex_);
    value_ = 0;
  }

 private:
  mutable std::shared_mutex mutex_;
  unsigned int value_ = 0;
};

int main() {
  ThreadSafeCounter counter;

  auto increment_and_print = [&counter]() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      counter.increment();
      std::cout << std::this_thread::get_id() << ' ' << counter.get() << '\n';

      // Note: Writing to std::cout actually needs to be synchronized as well
      // by another std::mutex. This has been omitted to keep the example small.
    }
  };

  std::thread thread1(increment_and_print);
  std::thread thread2(increment_and_print);

  thread1.join();
  thread2.join();
}

原子操作

所謂原子操作，就是多線程程序中“最小的且不可并行化的”操作。對(duì)于在多個(gè)線程間共享的一個(gè)資源而言，這意味著同一時(shí)刻，多個(gè)線程中有且僅有一個(gè)線程在對(duì)這個(gè)資源進(jìn)行操作，即互斥訪問。提到“互斥”訪問，熟悉多線程開發(fā)的同學(xué)可能立即想到Windows平臺(tái)下使用的臨界區(qū)/CRITICAL_SECTION、互斥體/Mutex。實(shí)現(xiàn)互斥通常需要平臺(tái)相關(guān)的特殊指令，在C++11標(biāo)準(zhǔn)之前，這意味著需要在C/C++代碼中嵌入平臺(tái)相關(guān)的內(nèi)聯(lián)匯編代碼。平臺(tái)相關(guān)意味著：1.你必須了解平臺(tái)相關(guān)的編譯器擴(kuò)展；2.無法跨平臺(tái)運(yùn)行你的多線程程序。

多線程中需要同步的總是資源/數(shù)據(jù)，而不是代碼。因此C++11對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了更為良好的抽象，引入"原子數(shù)據(jù)類型"/atomic類型，以達(dá)到對(duì)開發(fā)者掩蓋互斥鎖、臨界區(qū)的目的。要知道，這些臨界區(qū)、互斥鎖才是平臺(tái)相關(guān)的東西。來看下面的示例代碼。

#include<atomic>
#include<thread>
#include<iostream>

using namespace std;
std::atomic_llong total{ 0 };//原子數(shù)據(jù)類型

void func(int)
{
    for (long long i = 0; i<100000000LL; ++i)
    {
        total += i;
    }
}

int main()
{
    thread t1(func, 0);
    thread t2(func, 0);
    t1.join();
    t2.join();
    cout<<total<<endl;//9999999900000000
    return 0;
}

原子數(shù)據(jù)類型/atomic類型

atomic模板類

template <class T> struct atomic

//example
#include<atomic>

void test()
{
    std::atomic_int nThreadData; // std::atomic_int  <----> std::atomic<int>
    nThreadData = 10;
    nThreadData.store(10);
    //TODO: use nThreadData here;
}

對(duì)于內(nèi)置型數(shù)據(jù)類型，C11和C++11標(biāo)準(zhǔn)中都已經(jīng)提供了實(shí)例化原子類型，如下表所示：

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