C++多線程互斥鎖和條件變量的詳解

更新時間：2022年03月18日 10:34:59 作者：神廚小福貴！

這篇文章主要為大家詳細介紹了C++多線程互斥鎖和條件變量，文中示例代碼介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

atomic_int g_num = 0; //將g_num設置為原子操作數(shù)
//atomic<int> g_num = 0;這個和上面是一樣的 下面這行是模板化之后的
void print(int id)
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		++g_num;
		cout << "id = " << id << "==>" << g_num << endl;
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
	}
}
int main()
{
	thread tha(print, 0);
	thread thb(print, 1);
	tha.join();
	thb.join();
	return 0;
}

將g_num設置為原子操作數(shù)之后，在++階段就不會被線程調度機制給打斷，我們來看運行結果：

運行結果是我所期望的但是中間那塊又出了一點小狀況連著打著兩個4，兩個6，這種情況該怎么辦呢？

下面就該說道我們的互斥鎖了：

互斥鎖：

在上述代碼中我們使用了共享資源----->全局量g_num,兩個線程同時對g_num進行++操作，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 )。

來看下面代碼：

int g_num = 0;
std::mutex mtx;  //創(chuàng)建鎖對象
void print(int id)
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		mtx.lock();  //上鎖
		++g_num;
		cout << "id = " << id << "==>" << g_num << endl;
		mtx.unlock(); //解鎖
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(500));
	}
}
int main()
{
	thread tha(print, 0);
	thread thb(print, 1);
	tha.join();
	thb.join();
	return 0;
}

我們來看運行結果：符合我們最初的預期。

打開官方文檔，可以看到

創(chuàng)建鎖對象只有這個方法，拷貝構造被刪除了。

std::mutex::try_lock

對于互斥鎖的lock和unlock我們都很熟悉了，下面來說一下std::mutex::try_lock這個成員函數(shù)！

try_lock字面意思就是說嘗試上鎖，如果上鎖成功，返回true，上鎖失敗則返回false，但是如果上鎖失敗，他還是會接著往下運行，不會像lock哪運被阻塞在上鎖那塊，所以try_lock必須得在循環(huán)中使用：

int g_num = 0;
std::mutex mtx;
void print(int id)
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		mtx.try_lock();  //代碼只是將lock換成了try_lock且沒把try_lock扔在循環(huán)中執(zhí)行
		++g_num;
		cout << "id = " << id << "==>" << g_num << endl;
		mtx.unlock();
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(500));
	}
}
int main()
{
	thread tha(print, 0);
	thread thb(print, 1);
	tha.join();
	thb.join();
	return 0;
}

我們來看運行結果：

unlock of unowned mutex,這玩意思就是說你在給個沒上鎖的互斥鎖解鎖，所以報這錯誤，因此try_lock擱在普通語句中，會有很大的問題，現(xiàn)命我們演示一下將這玩意放到循環(huán)中去弄一邊：

int g_num = 0;
std::mutex mtx;
void print(int id)
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		while (!mtx.try_lock())  //try_lock失敗時為false 前面加了！，所以失敗時為true 然后打印嘗試加鎖
		{                    //然后再次嘗試加鎖，只有加鎖成功了，才能出這個while循環(huán)
			cout << "try  lock" << endl;
		}	
		++g_num;
		cout << "id = " << id << "==>" << g_num << endl;
		mtx.unlock();
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(500));
	}
}
int main()
{
	thread tha(print, 0);
	thread thb(print, 1);
	tha.join();
	thb.join();
	return 0;
}

我們來看運行結果：

運行結果符合我們的預期，但是try_lock這個函數(shù)有個不好處是太損耗資源了，當它加鎖失敗時，一直嘗試加鎖一直嘗試加鎖，損耗CPU資源。

條件變量：condition_variable

框住這三個函數(shù)較為重要，下面著重來說下面這三個函數(shù)：這里順便說一下，下面代碼將會是條件變量和互斥鎖的結合使用，至于為什么要將互斥鎖和條件變量一起使用，原因就是互斥鎖狀態(tài)太單一了，而條件變量允許阻塞，接收信號量等剛好彌補了互斥鎖的缺陷所以這些一起使用?。?！

這三個函數(shù)呢，通過一個小實驗來實現(xiàn)，通過多線程分別打印123一直到100：

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
int isReady = 0;
const int n = 100;
void print_A()
{
	std::unique_lock<mutex> lock(mtx);  //unique_lock相當于線程中的智能制造 自動解鎖，不需要再unlock
	int i = 0;
	while (i < n)
	{
		while (isReady != 0) 
		{
			cv.wait(lock);//互斥鎖和信號量一起使用  wait參數(shù)為鎖對象
		}
		cout << "A" ;
		isReady = 1;
		++i;
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(100));
		cv.notify_all(); //當isReady等于0時print_B 和 print_C 處于阻塞狀態(tài)  
          //該函數(shù)就是喚醒所有等待的函數(shù)，然后通過isReady來進行判斷要進行那個函數(shù)的運行
	}
}
void print_B()
{
	std::unique_lock<mutex> lock(mtx);  //unique_lock相當于線程中的智能制造 自動解鎖，不需要再unlock
	int i = 0;
	while (i < n)
	{
		while (isReady != 1)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		cout << "B" ;
		isReady = 2;
		++i;
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(100));
		cv.notify_all();
	}
}
void print_C()
{
	std::unique_lock<mutex> lock(mtx);  //unique_lock相當于線程中的智能制造 自動解鎖，不需要再unlock
	int i = 0;
	while (i < n)
	{
		while (isReady != 2)
		{
			cv.wait(lock);
		}
		cout << "C" ;
		isReady = 0;
		++i;
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(100));
		cv.notify_all();
	}
}
int main()
{
	thread tha(print_A);
	thread thb(print_B);
	thread thc(print_C);
	tha.join();
	thb.join();
	thc.join();
	return 0;
}

上面代碼解析：

運行結果：

我們可以看到上述代碼最后喚醒其他線程使用的是notify_all()函數(shù)，notify_all()函數(shù)作用就是環(huán)球其他阻塞的函數(shù)，然后因為isready這個數(shù)的存在，所以就會選擇合適的線程來進行執(zhí)行，如果我們使用notify_one()呢，先來說下notify_one()函數(shù)的作用是什么。notify_one（）函數(shù)是喚醒其他線程(隨機喚醒，這道題中不適合，因為如果打印完A之后喚醒了C線程那么就會一直阻塞在那塊)

我們試一下notify_one()函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)這玩意確實會堵塞在那塊：