C++多線程之互斥鎖與死鎖

更新時間：2021年12月10日 14:45:14 作者：HerofH_

互斥鎖和死鎖是C++多線程中常見的情況，這篇文章就帶大家進一步了解多線程中的互斥鎖與死鎖這兩個概念，文中的示例代碼介紹得很詳細，快來跟隨小編一起學(xué)習(xí)吧

1.前言

比如說我們現(xiàn)在以一個list容器來模仿一個消息隊列，當消息來臨時插入list的尾部，當讀取消息時就把頭部的消息讀出來并且刪除這條消息。在代碼中就以兩個線程分別實現(xiàn)消息寫入和消息讀取的功能，如下：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;   //用list模仿一個消息隊列
 
public:
	void WriteList()   //向消息隊列中寫入消息(以i作為消息)
	{
		for (int i = 0; i<100000; i++)
		{
			cout << "Write : " << i <<endl;
			mylist.push_back(i);
		}
		return;
	}
	void ReadList()  //從消息隊列中讀取并取出消息
	{
		for(int i=0;i<100000;i++)
		{
			if (!mylist.empty())
			{
				cout << "Read : " << mylist.front() << endl;
				mylist.pop_front();
			}
			else
			{
				cout << "Message List is empty!" << endl;
			}
		}
	}
};
int main()
{
	msgList mlist;
	thread pread(&msgList::ReadList, &mlist);   //讀線程
	thread pwrite(&msgList::WriteList, &mlist);   //寫線程
     //等待線程結(jié)束
	pread.join(); 
	pwrite.join();
 
    return 0;
}

這段程序在運行過程中，大部分時間是正常的，但是也會出現(xiàn)如下不穩(wěn)定的情況：

為什么會出現(xiàn)這種情況呢？

這是因為消息隊列對于讀線程和寫線程來說是共享的，這時就會出現(xiàn)兩種特殊的情況：讀線程的讀取操作還沒有結(jié)束，線程上下文就切換到了寫線程中；或者寫線程的寫入操作還沒有結(jié)束，線程上下文切換就到了讀線程中，這兩種情況都反映了讀寫沖突，從而出現(xiàn)了以上錯誤。

要想解決這個問題，最顯然最直接的方法就是將讀寫操作分離開來，讀的時候不允許寫，寫的時候不允許讀，這樣，才能實現(xiàn)線程安全的讀和寫。說形象一點，就是在進行讀操作時，就對共享資源進行加鎖，禁止其他線程訪問，其他線程要訪問就得等到讀線程解鎖才行，就像上廁所一樣，一次只能上一個人，其他人必須得等他上完了再上。這樣，就有了互斥鎖的概念。

2.互斥鎖

在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，同時運行的多個任務(wù)可能都需要使用同一種資源。比如說，同一個文件，可能一個線程會對其進行寫操作，而另一個線程需要對這個文件進行讀操作，可想而知，如果寫線程還沒有寫結(jié)束，而此時讀線程開始了，或者讀線程還沒有讀結(jié)束而寫線程開始了，那么最終的結(jié)果顯然會是混亂的。為了保護共享資源，在線程里也有這么一把鎖——互斥鎖（mutex），互斥鎖是一種簡單的加鎖的方法來控制對共享資源的訪問，互斥鎖只有兩種狀態(tài),即上鎖( lock )和解鎖( unlock )。

2.1 互斥鎖的特點

1. 原子性：把一個互斥量鎖定為一個原子操作，這意味著如果一個線程鎖定了一個互斥量，沒有其他線程在同一時間可以成功鎖定這個互斥量；

2. 唯一性：如果一個線程鎖定了一個互斥量，在它解除鎖定之前，沒有其他線程可以鎖定這個互斥量；

3. 非繁忙等待：如果一個線程已經(jīng)鎖定了一個互斥量，第二個線程又試圖去鎖定這個互斥量，則第二個線程將被掛起（不占用任何cpu資源），直到第一個線程解除對這個互斥量的鎖定為止，第二個線程則被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行，同時鎖定這個互斥量。

2.2 互斥鎖的使用

根據(jù)前面我們可以知道，互斥鎖主要就是用來保護共享資源的，在C++ 11中，互斥鎖封裝在mutex類中，通過調(diào)用類成員函數(shù)lock()和unlock()來實現(xiàn)加鎖和解鎖。值得注意的是，加鎖和解鎖，必須成對使用，這也是比較好理解的。除此之外，互斥量的使用時機，就以開篇程序為例，我們要保護的共享資源當然就是消息隊列l(wèi)ist了，那么互斥鎖應(yīng)該加在哪里呢？

可能想的比較簡單一點：就直接把鎖加在函數(shù)最前面不就好了么？如下所示：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;   //用list模仿一個消息隊列
        mutex mtx;   //創(chuàng)建互斥鎖對象
public:
	void WriteList()   //向消息隊列中寫入消息(以i作為消息)
	{
                mtx.lock();
		for (int i = 0; i<100000; i++)
		{
			cout << "Write : " << i <<endl;
			mylist.push_back(i);
		}
                mtx.unlock();
		return;
	}
	//.......
};

不過如果這樣加鎖的話，要等寫線程完全執(zhí)行結(jié)束才能開始讀線程，讀寫線程變成了串行執(zhí)行，這就違背了線程并發(fā)性的特點了。正確的加鎖方式應(yīng)當是在執(zhí)行寫操作的具體部分加鎖，如下所示：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;   //用list模仿一個消息隊列
        mutex mtx;   //創(chuàng)建互斥鎖對象
public:
	void WriteList()   //向消息隊列中寫入消息(以i作為消息)
	{   
		for (int i = 0; i<100000; i++)
		{
                        mtx.lock();
			cout << "Write : " << i <<endl;
			mylist.push_back(i);
                        mtx.unlock();
		}
		return;
	}
	//.......
};

這樣，才能真正的實現(xiàn)讀寫互不干擾。

下面再舉一個更為直觀的例子，創(chuàng)建兩個線程同時對list進行寫操作：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;
	mutex m;
	int i = 0;
public:
	void WriteList()
	{
		while(i<1000)
		{
			mylist.push_back(i++);
		}
		return;
	}
	void showList()
	{
		for (auto p = mylist.begin(); p != mylist.end(); p++)   
		{
			cout << (*p) << " ";
		}
		cout << endl;
		cout << "size of list : " << mylist.size() << endl;
		return;
	}
};
int main()
{
	msgList mlist;
	thread pwrite0(&msgList::WriteList, &mlist);
	thread pwrite1(&msgList::WriteList, &mlist);
 
	pwrite0.join();
	pwrite1.join();
	cout << "threads end!" << endl;
 
	mlist.showList();  //子線程結(jié)束后主線程打印list
    return 0;
}

這里用兩個線程來寫list，并且最終在主線程中調(diào)用了showList()來輸出list的size和所有元素，我們先來看下輸出情況：

根據(jù)結(jié)果可以看到，這里有很多問題：實際輸出的元素個數(shù)和size不符，輸出的元素也并不是連續(xù)的，這都是多個線程同時更新list所造成的情況。這種情況下，運行結(jié)果是無法預(yù)料的，每次都可能不一樣。這就是線程不安全所引發(fā)的問題，我們加上鎖再來看看：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;
	mutex m;
	int i = 0;
public:
	void WriteList()
	{
		while(i<1000)
		{
                        m.lock();//加鎖
			mylist.push_back(i++);
                        m.unlock(); //解鎖
		}
		return;
	}
	// ......
};

這樣加鎖就正確了嗎？我們再多運行幾次看看：

數(shù)字都是連續(xù)的，但是個數(shù)卻多了一個（出現(xiàn)的幾率還是比較小），這又是什么原因造成的呢？還是兩個線程的問題，假設(shè)要插入1000個數(shù)，循環(huán)條件就是while(i<1000)，當i=999的時候兩個寫線程都可以進入while循環(huán)，此時如果pwrite0線程拿到了lock()，那么pwrite1線程就只能一直等待，pwrite0線程繼續(xù)往下執(zhí)行，使得i變成了1000，此時，對于pwrite0線程來說，它就必須退出循環(huán)了。而此時的pwrite1在哪里呢？還等在lock()的地方，pwrite0線程unlock()后，pwrite1成功lock()，此時i=1000，但是pwrite1卻還沒有執(zhí)行完此次循環(huán)，因此向list中插入1000，此時退出的i的值為1001，這也就造成了實際輸出為1001個數(shù)的情況。

為了避免這個問題，一個簡單的辦法就是在lock()之后再加上一個判斷，判斷i是否依舊滿足while的條件，如下：

void WriteList()
	{
		while(i<10000)
		{
			m.lock();
			if (i >= 10000)
			{
				m.unlock();   //退出之前必須先解鎖
				break;
			}
			mylist.push_back(i++);
			m.unlock();
		}
		return;
	}

為什么這里要在break前面加一個unlock()呢？原因就在于：如果break前面沒有unlock()，一旦i符合了if的條件，就直接break了，此時就沒法unlock()，程序就會報錯：

可以發(fā)現(xiàn)，這種錯誤是比較難發(fā)現(xiàn)的，特別是像這樣程序中出現(xiàn)了分支的情況，很容易就使得程序?qū)嶋H運行時lock()了卻沒有unclock()。為了解決這一問題，就有了std::lock_guard。

2.3 std::lock_guard

簡單來理解的話，lock_guard就是一個類，它會在其構(gòu)造函數(shù)中加鎖，而在析構(gòu)函數(shù)中解鎖，也就是說，只要創(chuàng)建一個lock_guard的對象，就相當于lock()了，而該對象析構(gòu)時，就自動調(diào)用unlock()了。

就以上述程序為例，直接改寫為：

void WriteList()
	{
		while(i<10000)
		{
                        lock_guard<mutex> guard(m);  //創(chuàng)建lock_guard的類對象guard，用互斥量m來構(gòu)造
			//m.lock();   
			if (i >= 10000)
			{
				//m.unlock();   //由于有了guard，這里就無需unlock()了
				break;
			}
			mylist.push_back(i++);
			//m.unlock();
		}
		return;
	}

這里主要有兩個需要注意的地方：第一、原先的lock()和unlock()都不用了；第二、if中的break前面也不用再調(diào)用unlock()了。這都是因為對象guard在lock_guard一句處構(gòu)造出來，同時就調(diào)用了lock()，當退出while時，guard析構(gòu)，析構(gòu)時就調(diào)用了unlock()。（局部對象的生命周期就是創(chuàng)建該對象時離其最近的大括號的范圍{}）

3.死鎖

3.1 死鎖的含義

死鎖是什么意思呢？舉個例子，我和你手里都拽著對方家門的鑰匙，我說：“你不把我的鎖還來，我就不把你的鎖給你！”，你一聽不樂意了，也說：“你不把我的鎖還來，我也不把你的鎖給你！”就這樣，我們兩個人互相拿著對方的鎖又等著對方先把鎖拿來，然后就只能一直等著等著等著......最終誰也拿不到自己的鎖，這就是死鎖。

顯然，死鎖是發(fā)生在至少兩個鎖之間的，也就是指由于兩個或者多個線程互相持有對方所需要的資源，導(dǎo)致這些線程處于等待狀態(tài)，無法前往執(zhí)行，當線程互相持有對方所需要的資源時，會互相等待對方釋放資源，如果線程都不主動釋放所占有的資源，將產(chǎn)生死鎖。

3.2 死鎖的例子

mutex m0,m1;
int i = 0;
void fun0()
{
	while (i < 100)
	{
		lock_guard<mutex> g0(m0);  //線程0加鎖0
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //線程0加鎖1
		cout << "thread 0 running..." << endl;
	}
	return;
}
void fun1()
{
	while (i < 100)
	{
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //線程1加鎖1
		lock_guard<mutex> g0(m0);  //線程1加鎖0
		cout << "thread 1 running...   "<< i << endl;
	}
	return;
}
int main()
{
	thread p0(fun0);
	thread p1(fun1);
	p0.join();
	p1.join();
    return 0;
}

我們來看下運行結(jié)果：

這就出現(xiàn)了死鎖。產(chǎn)生的原因就是因為在線程0中，先加鎖0，再加鎖1；在線程1中，先加鎖1，再加鎖0；如果兩個線程之一能夠完整執(zhí)行的話，那自然是沒有問題的，但是如果某個時刻，線程0中剛加鎖0，就上下文切換到線程1，此時線程1就加鎖1，然后此時兩個線程都想向下執(zhí)行的話，線程1就必須等待線程0解鎖0，線程0就必須等待線程1解鎖1，就這樣兩個線程都一直阻塞著，形成了死鎖。

3.3 死鎖的解決方法

①按順序加鎖

以上述例程來說，就是線程0和線程1的加鎖順序保持一致，如下所示：

mutex m0,m1;
int i = 0;
void fun0()
{
	while (i < 100)
	{
		lock_guard<mutex> g0(m0);  //線程0加鎖0
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //線程0加鎖1
		cout << "thread 0 running..." << endl;
	}
	return;
}
void fun1()
{
	while (i < 100)
	{
                lock_guard<mutex> g0(m0);  //線程1加鎖0
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //線程1加鎖1
		cout << "thread 1 running...   "<< i << endl;
	}
	return;
}
int main()
{
	thread p0(fun0);
	thread p1(fun1);
	p0.join();
	p1.join();
    return 0;
}

在這種情況下，兩個線程一旦一個加了鎖，那么另一個就必定阻塞，這樣，就不會出現(xiàn)兩邊加鎖兩邊阻塞的情況，從而避免死鎖。

②同時上鎖

同時上鎖需要用到lock()函數(shù)，如下所述：

mutex m0,m1;
int i = 0;
void fun0()
{
	while (i < 100)
	{
                lock(m0,m1);
		lock_guard<mutex> g0(m0, adopt_lock);
		lock_guard<mutex> g1(m1, adopt_lock);
		cout << "thread 0 running..." << endl;
	}
	return;
}
void fun1()
{
	while (i < 100)
	{
                lock(m0,m1);
		lock_guard<mutex> g0(m0, adopt_lock);
		lock_guard<mutex> g1(m1, adopt_lock);
		cout << "thread 1 running...   "<< i << endl;
	}
	return;
}
int main()
{
	thread p0(fun0);
	thread p1(fun1);
	p0.join();
	p1.join();
    return 0;
}