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C++多線程互斥鎖和條件變量的詳解

 更新時(shí)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(xì)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(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，希望能夠給你帶來幫助

我們了解互斥量和條件變量之前，我們先來看一下為什么要有互斥量和條件變量這兩個(gè)東西，了解為什么有這兩東西之后，理解起來后面的東西就簡(jiǎn)單很多了！??！

先來看下面這段簡(jiǎn)單的代碼：

int g_num = 0;
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;
}

上述代碼功能大致就是在線程tha和thb中運(yùn)行函數(shù)print，每個(gè)線程對(duì)g_num進(jìn)行加加一次，最后加出來的g_num的值應(yīng)該是10，那么我們現(xiàn)在來看結(jié)果：

我們看到運(yùn)行結(jié)果，為什么打印結(jié)果最后，按理來說兩個(gè)線程各加五次，最后結(jié)果應(yīng)該是10呀，怎么會(huì)是9呢？

 如上圖所示，是因?yàn)?+這個(gè)運(yùn)算符不是原子操作(不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作)，我們可以將g_num設(shè)置為原子數(shù)，改為atomic_int g_num = 0;

atomic_int g_num = 0; //將g_num設(shè)置為原子操作數(shù)
//atomic<int> g_num = 0;這個(gè)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(shè)置為原子操作數(shù)之后，在++階段就不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制給打斷，我們來看運(yùn)行結(jié)果：

運(yùn)行結(jié)果是我所期望的但是中間那塊又出了一點(diǎn)小狀況連著打著兩個(gè)4，兩個(gè)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(gè)線程同時(shí)對(duì)g_num進(jìn)行++操作，為了保護(hù)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(jiǎn)單的加鎖的方法來控制對(duì)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(duì)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(yùn)行結(jié)果：符合我們最初的預(yù)期。

 打開官方文檔，可以看到

創(chuàng)建鎖對(duì)象只有這個(gè)方法，拷貝構(gòu)造被刪除了 。

std::mutex::try_lock         

對(duì)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(gè)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(huì)接著往下運(yùn)行，不會(huì)像lock哪運(yùn)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(yùn)行結(jié)果：

 unlock of  unowned  mutex,這玩意思就是說你在給個(gè)沒上鎖的互斥鎖解鎖，所以報(bào)這錯(cuò)誤，因此try_lock擱在普通語(yǔ)句中，會(huì)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(shí)為false 前面加了！，所以失敗時(shí)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(gè)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(yùn)行結(jié)果：

 運(yùn)行結(jié)果符合我們的預(yù)期，但是try_lock這個(gè)函數(shù)有個(gè)不好處是太損耗資源了，當(dāng)它加鎖失敗時(shí)，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(gè)函數(shù)較為重要，下面著重來說下面這三個(gè)函數(shù)： 這里順便說一下，下面代碼將會(huì)是條件變量和互斥鎖的結(jié)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(hào)量等剛好彌補(bǔ)了互斥鎖的缺陷所以這些一起使用?。?！

這三個(gè)函數(shù)呢，通過一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來實(shí)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(dāng)于線程中的智能制造 自動(dòng)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(hào)量一起使用  wait參數(shù)為鎖對(duì)象
		}
		cout << "A" ;
		isReady = 1;
		++i;
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(100));
		cv.notify_all(); //當(dāng)isReady等于0時(shí)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(jìn)行判斷要進(jìn)行那個(gè)函數(shù)的運(yùn)行
	}
}
void print_B()
{
	std::unique_lock<mutex> lock(mtx);  //unique_lock相當(dāng)于線程中的智能制造 自動(dòng)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(dāng)于線程中的智能制造 自動(dòng)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(yùn)行結(jié)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?yàn)閕sready這個(gè)數(shù)的存在，所以就會(huì)選擇合適的線程來進(jìn)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(jī)喚醒，這道題中不適合，因?yàn)槿绻蛴⊥闍之后喚醒了C線程那么就會(huì)一直阻塞在那塊)

我們?cè)囈幌耼otify_one()函數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)這玩意確實(shí)會(huì)堵塞在那塊：

總結(jié)

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容! 

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