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示例詳解C++中的各種鎖

更新時(shí)間：2024年11月06日 08:53:45 作者：Arthurian

C++中常見的鎖包括互斥鎖、遞歸互斥鎖、讀寫鎖、定時(shí)互斥鎖、遞歸定時(shí)互斥鎖、自旋鎖和條件變量,互斥鎖用于防止多線程同時(shí)訪問共享資源,遞歸互斥鎖允許同一線程多次獲取鎖,讀寫鎖區(qū)分讀寫操作,提高并發(fā)性

互斥鎖（std::mutex）
遞歸互斥鎖（std::recursive_mutex）
讀寫鎖（std::shared_mutex） C++17開始才有
定時(shí)互斥鎖（std::timed_mutex）
遞歸定時(shí)互斥鎖（std::recursive_timed_mutex）
自旋鎖（通常用std::atomic_flag實(shí)現(xiàn)）
條件變量（std::condition_variable）配合互斥鎖用于同步（嚴(yán)格來說條件變量不是鎖，但常一起用于線程同步場(chǎng)景）

在多線程開發(fā)中，經(jīng)常會(huì)遇到數(shù)據(jù)同步，很多情況下用鎖都是一個(gè)很好的選擇。C++中常用的鎖主要有下面幾種：

互斥鎖（std::mutex）

這是最基本的一種鎖。它用于保護(hù)共享資源，在任意時(shí)刻，最多只有一個(gè)線程可以獲取該鎖，從而訪問被保護(hù)的資源。當(dāng)一個(gè)線程獲取了互斥鎖后，其他試圖獲取該鎖的線程會(huì)被阻塞，直到持有鎖的線程釋放它。
例如，在一個(gè)多線程程序中，如果多個(gè)線程需要訪問和修改同一個(gè)全局變量，就可以使用互斥鎖來確保在同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠進(jìn)行修改操作，避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的錯(cuò)誤結(jié)果。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
std::mutex m;
int counter = 0;
void increment() {
    m.lock();
    counter++;
    std::cout << "Counter value in thread " << std::this_thread::get_id() << " is " << counter << std::endl;
    m.unlock();
}
int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

遞歸互斥鎖（std::recursive_mutex）

遞歸互斥鎖允許同一個(gè)線程多次獲取該鎖。它內(nèi)部會(huì)記錄鎖的獲取次數(shù)，每獲取一次，計(jì)數(shù)加 1，每次釋放鎖時(shí)，計(jì)數(shù)減 1，當(dāng)計(jì)數(shù)為 0 時(shí)，鎖才真正被釋放，可供其他線程獲取。
假設(shè)在一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)調(diào)用鏈中，函數(shù) A 調(diào)用函數(shù) B，函數(shù) B 又調(diào)用函數(shù) A，并且這些函數(shù)都需要訪問同一個(gè)受保護(hù)的資源。如果使用普通互斥鎖，就會(huì)出現(xiàn)死鎖，而遞歸互斥鎖就可以避免這種情況，因?yàn)樗试S同一線程多次獲取鎖。

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
std::recursive_mutex rm;
void recursiveFunction(int count) {
    rm.lock();
    if (count > 0) {
        std::cout << "Recursive call with count = " << count << std::endl;
        recursiveFunction(count - 1);
    }
    rm.unlock();
}
int main() {
    std::thread t(recursiveFunction, 3);
    t.join();
    return 0;
}

讀寫鎖（std::shared_mutex） C++17開始才有

讀寫鎖主要用于區(qū)分對(duì)共享資源的讀操作和寫操作。它有兩種獲取模式：共享模式（讀模式）和獨(dú)占模式（寫模式）。
多個(gè)線程可以同時(shí)以共享模式獲取讀寫鎖，這意味著它們可以同時(shí)讀取共享資源，而不會(huì)相互干擾。但是，當(dāng)一個(gè)線程要以獨(dú)占模式獲取讀寫鎖（進(jìn)行寫操作）時(shí)，其他線程（無論是讀操作還是寫操作）都不能獲取該鎖，直到寫操作完成并釋放鎖。這種機(jī)制在有大量讀操作和少量寫操作的場(chǎng)景下，可以提高程序的并發(fā)性能。例如，在一個(gè)緩存系統(tǒng)中，多個(gè)線程可能經(jīng)常讀取緩存中的數(shù)據(jù)，只有在緩存數(shù)據(jù)需要更新時(shí)才會(huì)進(jìn)行寫操作，使用讀寫鎖可以很好地處理這種情況。

#include <iostream>
#include <shared_mutex>
#include <thread>
#include <vector>
std::shared_mutex smtx;
int shared_data = 0;
void read_data() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(smtx);
    std::cout << "Read data: " << shared_data << std::endl;
}
void write_data(int new_value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(smtx);
    shared_data = new_value;
    std::cout << "Wrote data: " << shared_data << std::endl;
}
int main() {
    std::vector<std::thread> read_threads;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        read_threads.push_back(std::thread(read_data));
    }
    std::thread write_thread(write_data, 10);
    for (auto& t : read_threads) {
        t.join();
    }
    write_thread.join();
    return 0;
}

定時(shí)互斥鎖（std::timed_mutex）

定時(shí)互斥鎖是std::mutex的擴(kuò)展。除了具備std::mutex的基本功能外，它還允許線程在嘗試獲取鎖時(shí)設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間。
如果在規(guī)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)無法獲取鎖，線程不會(huì)一直等待，而是可以執(zhí)行其他操作或者返回錯(cuò)誤信息。這在一些對(duì)時(shí)間敏感的場(chǎng)景中非常有用，比如在一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，線程不能因?yàn)榈却粋€(gè)鎖而無限期地阻塞，需要在一定時(shí)間后放棄獲取并進(jìn)行其他處理。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>
std::timed_mutex tm;
void tryLockFunction() {
    if (tm.try_lock_for(std::chrono::seconds(1))) {
        std::cout << "Acquired lock" << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        tm.unlock();
    } else {
        std::cout << "Could not acquire lock in time" << std::endl;
    }
}
int main() {
    std::thread t1(tryLockFunction);
    std::thread t2(tryLockFunction);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

遞歸定時(shí)互斥鎖（std::recursive_timed_mutex）

這是結(jié)合了遞歸互斥鎖和定時(shí)互斥鎖特點(diǎn)的一種鎖。它允許同一線程多次獲取鎖，并且在獲取鎖時(shí)可以設(shè)置超時(shí)時(shí)間。
當(dāng)一個(gè)線程多次獲取這種鎖后，需要釋放相同次數(shù)的鎖，鎖才會(huì)真正被釋放，并且在獲取鎖的過程中，如果在超時(shí)時(shí)間內(nèi)無法獲取，線程可以采取相應(yīng)的措施。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>
std::recursive_timed_mutex rtm;
void recursiveTryLockFunction(int count) {
    if (rtm.try_lock_for(std::chrono::seconds(1))) {
        std::cout << "Recursive acquired lock, count = " << count << std::endl;
        if (count > 0) {
            recursiveTryLockFunction(count - 1);
        }
        rtm.unlock();
    } else {
        std::cout << "Could not recursively acquire lock in time" << std::endl;
    }
}
int main() {
    std::thread t(recursiveTryLockFunction, 3);
    t.join();
    return 0;
}

自旋鎖（通常用std::atomic_flag實(shí)現(xiàn)）

自旋鎖是一種忙等待的鎖機(jī)制。當(dāng)一個(gè)線程嘗試獲取自旋鎖而鎖已經(jīng)被占用時(shí)，這個(gè)線程不會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，而是會(huì)不斷地檢查（“自旋”）鎖是否已經(jīng)被釋放。
自旋鎖在等待時(shí)間較短的情況下可能會(huì)有比較好的性能表現(xiàn)，因?yàn)樗苊饬司€程切換的開銷。但是，如果等待時(shí)間過長，由于線程一直在占用 CPU 資源進(jìn)行檢查，會(huì)導(dǎo)致 CPU 資源的浪費(fèi)。一般在底層代碼或者對(duì)性能要求極高、等待時(shí)間預(yù)計(jì)很短的場(chǎng)景下使用。

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <thread>
std::atomic_flag spinLock = ATOMIC_FLAG_INIT;
void criticalSection() {
    while (spinLock.test_and_set()) {
        // 自旋等待
    }
    std::cout << "Entered critical section" << std::endl;
    // 臨界區(qū)操作
    spinLock.clear();
}
int main() {
    std::thread t1(criticalSection);
    std::thread t2(criticalSection);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

條件變量（std::condition_variable）配合互斥鎖用于同步（嚴(yán)格來說條件變量不是鎖，但常一起用于線程同步場(chǎng)景）

條件變量本身不是一種鎖，但它通常和互斥鎖一起使用，用于實(shí)現(xiàn)線程間的同步。它可以讓一個(gè)線程等待某個(gè)條件滿足后再繼續(xù)執(zhí)行。
例如，一個(gè)生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者模型中，消費(fèi)者線程在緩沖區(qū)為空時(shí)可以使用條件變量等待，直到生產(chǎn)者線程生產(chǎn)出產(chǎn)品并通知消費(fèi)者線程，這個(gè)過程中互斥鎖用于保護(hù)緩沖區(qū)這個(gè)共享資源，條件變量用于實(shí)現(xiàn)線程間的通信和同步。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> buffer;
const int bufferSize = 5;
void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (buffer.size() == bufferSize) {
            cv.wait(lock);
        }
        buffer.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
        cv.notify_all();
    }
}
void consumer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        while (buffer.empty()) {
            cv.wait(lock);
        }
        int data = buffer.front();
        buffer.pop();
        std::cout << "Consumed: " << data << std::endl;
        cv.notify_all();
    }
}
int main() {
    std::thread producerThread(producer);
    std::thread consumerThread(consumer);
    producerThread.join();
    consumerThread.join();
    return 0;
}

到此這篇關(guān)于C++中的各種鎖的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 各種鎖內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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