C++ 多线程之互斥量(mutex)详解
作者：胖小迪 发布时间：2023-12-20 18:51:32
C++ 11中的互斥量，声明在 <mutex> 头文件中，互斥量的使用可以在各种方面，比较常用在对共享数据的读写上，如果有多个线程同时读写一个数据，那么想要保证多线程安全，就必须对共享变量的读写进行保护(上锁)，从而保证线程安全。
互斥量主要有四中类型：
std::mutex，最基本的 Mutex 类。std::recursive_mutex，递归 Mutex 类。std::time_mutex，限时 Mutex 类。std::recursive_timed_mutex，限时递归 Mutex 类。
当然C++14和C++17各增加了一个：
std::shared_timed_mutex，限时读写锁（C++14）std::shared_mutex，读写锁（C++17）
std::mutex
构造函数
mutex();
mutex(const mutex&) = delete;
从上面的构造函数可以看出，std::mutex不允许拷贝构造，当然也不允许move，最初构造的mutex对象是处于未锁定状态的，若构造不成功会抛出 std::system_error 。
析构函数
~mutex();
销毁互斥。若互斥被线程占有，或在占有mutex时线程被终止，则会产生未定义行为。
lock
void lock();
锁定互斥，调用线程将锁住该互斥量。线程调用该函数会发生下面 3 种情况：
如果该互斥量当前没有被其他线程锁住，则调用线程将该互斥量锁住，直到调用unlock之前，该线程一直拥有该锁。
如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前的调用线程被阻塞住，指导其他线程unlock该互斥量。
如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
try_lock
bool try_lock();
尝试锁住互斥量，立即返回。成功获得锁时返回 true ，否则返回 false。
如果互斥量被其他线程占有，则当前线程也不会被阻塞。线程调用该函数也会出现下面 3 种情况：
如果当前互斥量没有被其他线程占有，则该线程锁住互斥量，直到该线程调用 unlock 释放互斥量。
如果当前互斥量被其他线程锁住，则当前调用线程返回 false，而并不会被阻塞掉。
如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。
unlock
void unlock();
解锁互斥。互斥量必须为当前执行线程所锁定(以及调用lock)，否则行为未定义。
看下面一个简单的例子实现两个线程竞争全局变量g_num对其进行写操作，然后打印输出：
#include <iostream>
#include <chrono> // std::chrono
#include <thread> // std::thread
#include <mutex> // std::mutex
int g_num = 0; // 为 g_num_mutex 所保护
std::mutex g_num_mutex;
void slow_increment(int id)
{
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
g_num_mutex.lock();
++g_num;
std::cout << "th" << id << " => " << g_num << '\n';
g_num_mutex.unlock();
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
}
}
int main()
{
std::thread t1(slow_increment, 0);
std::thread t2(slow_increment, 1);
t1.join();
t2.join();
}
加了互斥量实现有序的写操作并输出：
th0 => 1
th1 => 2
th0 => 3
th1 => 4
th1 => 5
th0 => 6
如果不增加mutex包含，可能输出就不是有序的打印1到6，如下：
thth01 => 2 => 2
th1 => 3
th0 => 4
th0 => 5
th1 => 6
std::recursive_mutex
如上面所说的，如果使用std::mutex，如果一个线程在执行中需要再次获得锁，会出现死锁现象。要避免这种情况下就需要使用递归式互斥量std::recursive_mutex，它不会产生上述的死锁问题，可以理解为同一个线程多次获得锁“仅仅增加锁的计数”，同时，必须要确保unlock和lock的次数相同，其他线程才可能取得这个mutex。它的接口与std::mutex的完全一样，用法也基本相同除了可重入(必须同一线程才可重入，其他线程需等待），看下面的例子：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
class X {
std::recursive_mutex m;
std::string shared;
public:
void fun1() {
m.lock();
shared = "fun1";
std::cout << "in fun1, shared variable is now " << shared << '\n';
m.unlock();
}
void fun2() {
m.lock();
shared = "fun2";
std::cout << "in fun2, shared variable is now " << shared << '\n';
fun3(); // 递归锁在此处变得有用
std::cout << "back in fun2, shared variable is " << shared << '\n';
m.unlock();
}
void fun3() {
m.lock();
shared = "fun3";
std::cout << "in fun3, shared variable is now " << shared << '\n';
m.unlock();
}
};
int main()
{
X x;
std::thread t1(&X::fun1, &x);
std::thread t2(&X::fun2, &x);
t1.join();
t2.join();
}
在fun2中调用fun3，而fun3中还使用了lock和unlock，只有递归式互斥量才能满足当前情况。
输出如下：
in fun1, shared variable is now fun1
in fun2, shared variable is now fun2
in fun3, shared variable is now fun3
back in fun2, shared variable is fun3
std::time_mutex
timed_mutex增加了带时限的try_lock。即try_lock_for和try_lock_until。
try_lock_for尝试锁互斥。阻塞直到超过指定的 timeout_duration 或得到锁，取决于何者先到来。成功获得锁时返回 true，否则返回false 。函数原型如下：
template< class Rep, class Period >
bool try_lock_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );
若timeout_duration小于或等于timeout_duration.zero()，则函数表现同try_lock()。由于调度或资源争议延迟，此函数可能阻塞长于timeout_duration。
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono_literals;
void do_work(int id) {
std::ostringstream stream;
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
if (mutex.try_lock_for(100ms)) {
stream << "success ";
std::this_thread::sleep_for(100ms);
mutex.unlock();
} else {
stream << "failed ";
}
std::this_thread::sleep_for(100ms);
}
std::cout << "[" << id << "] " << stream.str() << std::endl;
}
int main() {
// try_lock_for
std::vector<std::thread> threads;
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
threads.emplace_back(do_work, i);
}
for (auto& t : threads) {
t.join();
}
}
[3] failed success failed
[0] success failed success
[2] failed failed failed
[1] success success success
try_lock_until也是尝试锁互斥。阻塞直至抵达指定的timeout_time或得到锁，取决于何者先到来。成功获得锁时返回 true，否则返回false。
timeout_time与上面的timeout_duration不一样，timeout_duration表示一段时间，比如1秒，5秒或者10分钟，而timeout_time表示一个时间点，比如说要等到8点30分或10点24分才超时。
使用倾向于timeout_time的时钟，这表示时钟调节有影响。从而阻塞的最大时长可能小于但不会大于在调用时的 timeout_time - Clock::now() ，依赖于调整的方向。由于调度或资源争议延迟，函数亦可能阻塞长于抵达timeout_time之后。同try_lock()，允许此函数虚假地失败并返回false，即使在 timeout_time 前的某点任何线程都不锁定互斥。函数原型如下：
template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time);
看下面的例子：
#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono;
void do_work() {
mutex.lock();
std::cout << "thread 1, sleeping..." << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(4));
mutex.unlock();
}
void do_work2() {
auto now = std::chrono::steady_clock::now();
if (mutex.try_lock_until(now + 5s)) {
auto end = steady_clock::now();
std::cout << "try_lock_until success, ";
std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count()
<< "ms." << std::endl;
mutex.unlock();
} else {
auto end = steady_clock::now();
std::cout << "try_lock_until failed, ";
std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count()
<< "ms." << std::endl;
}
}
int main() {
// try_lock_until
std::thread t1(do_work);
std::thread t2(do_work2);
t1.join();
t2.join();
}
获得锁时输出：
thread 1, sleeping...
try_lock_until success, time use: 4000ms.
修改一下，让其超时，输出：
thread 1, sleeping...
try_lock_until failed, time use: 5000ms.
std::recursive_timed_mutex
以类似std::recursive_mutex的方式，recursive_timed_mutex提供排他性递归锁，同线程可以重复获得锁。另外，recursive_timed_mutex通过try_lock_for与try_lock_until方法，提供带时限地获得recursive_timed_mutex锁，类似std::time_mutex。
std::shared_mutex
c++ 17 新出的具有独占模式和共享模式的锁。共享模式能够被std::shared_lock(这个后面再详细将)占有。
std::shared_mutex 是读写锁，把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。
它提供两种访问权限的控制：共享性（shared）和排他性（exclusive）。通过lock/try_lock获取排他性访问权限(仅有一个线程能占有互斥)，通过lock_shared/try_lock_shared获取共享性访问权限(多个线程能共享同一互斥的所有权)。这样的设置对于区分不同线程的读写操作特别有用。
std::shared_mutex通常用于多个读线程能同时访问同一资源而不导致数据竞争，但只有一个写线程能访问的情形。比如，有多个线程调用shared_mutex.lock_shared()，多个线程都可以获得锁，可以同时读共享数据，如果此时有一个写线程调用 shared_mutex.lock()，则读线程均会等待该写线程调用shared_mutex.unlock()。对于C++11 没有提供读写锁，可使用 boost::shared_mutex。
std::shared_mutex新增加的三个接口：
void lock_shared();
bool try_lock_shared();
void unlock_shared();
一个简单例子如下：
#include <iostream>
#include <mutex> // 对于 std::unique_lock
#include <shared_mutex>
#include <thread>
class ThreadSafeCounter {
public:
ThreadSafeCounter() = default;
// 多个线程/读者能同时读计数器的值。
unsigned int get() const {
std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
return value_;
}
// 只有一个线程/写者能增加/写线程的值。
void increment() {
std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
value_++;
}
// 只有一个线程/写者能重置/写线程的值。
void reset() {
std::unique_lock<std::shared_mutex> 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';
// 注意：写入 std::cout 实际上也要由另一互斥同步。省略它以保持示例简洁。
}
};
std::thread thread1(increment_and_print);
std::thread thread2(increment_and_print);
thread1.join();
thread2.join();
}
// 解释：下列输出在单核机器上生成。 thread1 开始时，它首次进入循环并调用 increment() ，
// 随后调用 get() 。然而，在它能打印返回值到 std::cout 前，调度器将 thread1 置于休眠
// 并唤醒 thread2 ，它显然有足够时间一次运行全部三个循环迭代。再回到 thread1 ，它仍在首个
// 循环迭代中，它最终打印其局部的计数器副本的值，即 1 到 std::cout ，再运行剩下二个循环。
// 多核机器上，没有线程被置于休眠，且输出更可能为递增顺序。
可能的输出：
139847802500864 1
139847802500864 2
139847802500864 3
139847794108160 4
139847794108160 5
139847794108160 6
std::shared_timed_mutex
它是从C++14 才提供的限时读写锁：std::shared_timed_mutex。
对比std::shared_mutex新增下面两个接口，其实这两个接口与上面讲到的std::timed_mutex的try_lock_for和try_lock_until类似。都是限时等待锁。只不过是增加了共享属性。
template< class Rep, class Period >
bool try_lock_shared_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );
template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_shared_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time );
来源：https://blog.csdn.net/iuices/article/details/123099747
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