C++11 新特性之锁

技术专帖

       本文是C++11新特性介绍的第十四部分，涉及到锁相关的新特性。

介绍

       Mutex 又称互斥量，C++ 11中与 Mutex 相关的类（包括锁类型）和函数都声明在 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 头文件。
demo
       下面是mutex头文件中内容：

mutex类4种

       •std::mutex，最基本的 Mutex 类。
       •std::recursive_mutex，递归 Mutex 类。
       •std::time_mutex，定时 Mutex 类。
       •std::recursive_timed_mutex，定时递归 Mutex 类。

lock类2种

       •std::lock_guard，与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁。
       •std::unique_lock，与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，但提供了更好的上锁和解锁控制。

其他类型

       •std::once_flag
       •std::adopt_lock_t
       •std::defer_lock_t
       •std::try_to_lock_t

函数

       •std::try_lock，尝试同时对多个互斥量上锁。
       •std::lock，可以同时对多个互斥量上锁。
       std::call_once，如果多个线程需要同时调用某个函数，call_once 可以保证多个线程对该函数只调用一次。

mutex

std::mutex

       下面以 std::mutex 为例介绍 C++11 中的互斥量用法。
       std::mutex 是C++11 中最基本的互斥量，std::mutex 对象提供了独占所有权的特性——即不支持递归地对 std::mutex 对象上锁，而 std::recursive_lock 则可以递归地对互斥量对象上锁。
       std::mutex 的成员函数
       1.构造函数，std::mutex不允许拷贝构造，也不允许 move 拷贝，最初产生的 mutex 对象是处于 unlocked 状态的。
       2.lock()，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；如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁（deadlock）。
       3.unlock()， 解锁，释放对互斥量的所有权。
       4.try_lock()，尝试锁住互斥量，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）。
       来看一个mutex的用法：

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// mutex example
#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex
 
std::mutex mtx;           // mutex for critical section
 
void print_block(int n, char c)
{
    // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking mtx):
    mtx.lock();
    for(int i = 0; i<n; ++i)
    {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
    mtx.unlock();
}
 
int main()
{
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();
    return 0;
}

       输出结果：

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$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

       如果不使用mutex那么输出可能是这样的：线程之间存在乱码

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$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$*****$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

std::recursive_mutex

       std::recursive_mutex 与 std::mutex 一样，也是一种可以被上锁的对象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），来获得对互斥量对象的多层所有权，std::recursive_mutex 释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，可理解为 lock() 次数和 unlock() 次数相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

std::time_mutex

       std::time_mutex 比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。
       try_lock_for 函数接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
       try_lock_until 函数则接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。
       下面的小例子说明了 std::time_mutex 的用法：

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#include <iostream>       // std::cout
#include <chrono>         // std::chrono::milliseconds
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::timed_mutex
 
std::timed_mutex mtx;
 
void fireworks()
{
    // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
    while(!mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200)))
    {
        std::cout << "-";
    }
    // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    std::cout << "*\n";
    mtx.unlock();
}
 
int main()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for(int i=0; i<10; ++i)
    {
        threads[i] = std::thread(fireworks);
    }
 
    for(auto& th : threads)
    {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::recursive_timed_mutex

       和 std:recursive_mutex 与 std::mutex 的关系一样，std::recursive_timed_mutex 的特性也可以从 std::timed_mutex 推导出来，感兴趣的同鞋可以自行查阅。

lock

std::lock_guard

       std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

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template <class Mutex> class lock_guard;

       lock_guard 对象通常用于管理某个锁（Lock）对象，因此与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁（注：类似 shared_ptr 等智能指针管理动态分配的内存资源）。
       在 lock_guard 对象构造时，传入的 Mutex 对象（即它所管理的 Mutex 对象）会被当前线程锁住。在lock_guard 对象被析构时，它所管理的 Mutex 对象会自动解锁，由于不需要程序员手动调用 lock 和 unlock 对 Mutex 进行上锁和解锁操作，因此这也是最简单安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。
       值得注意的是，lock_guard 对象并不负责管理 Mutex 对象的生命周期，lock_guard 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁。

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// lock_guard example
#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard
#include <stdexcept>      // std::logic_error
 
std::mutex mtx;
 
void print_even(int x)
{
    if(x%2==0) std::cout << x << " is even\n";
    else throw (std::logic_error("not even"));
}
 
void print_thread_id(int id)
{
    try
    {
        // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception:
        std::lock_guard<std::mutex> lck (mtx);
        print_even(id);
    }
    catch(std::logic_error&)
    {
        std::cout << "[exception caught]\n";
    }
}
 
int main()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for(int i=0; i<10; ++i)
    {
        threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);
    }

    for(auto& th : threads)
    {
        th.join();
    }
    return 0;
}

       std::lock_guard 构造函数：
locking (1) explicit lock_guard (mutex_type& m);
adopting (2) lock_guard (mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
copy[deleted] (3) lock_guard (const lock_guard&) = delete;

       1.locking 初始化
       lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m，并在构造时对 m 进行上锁调用 m.lock()。
       2.adopting初始化
       lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m，与 locking 初始化（1）不同的是， Mutex 对象 m 已被当前线程锁住。
       3.拷贝构造
       lock_guard 对象的拷贝构造和移动构造（move construction）均被禁用，因此 lock_guard 对象不可被拷贝构造或移动构造。

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#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard, std::adopt_lock
 
std::mutex mtx;           // mutex for critical section
 
void print_thread_id(int id)
{
    mtx.lock();
    std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);
    std::cout << "thread #" << id << '\n';
}
 
int main()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for(int i = 0; i<10; ++i)
    {
        threads[i] = std::thread(print_thread_id, i + 1);
    }

    for(auto& th : threads)
    {
        th.join();
    }
    return 0;
}

       在 print_thread_id 中，我们首先对 mtx 进行上锁操作mtx.lock();，然后用 mtx 对象构造一个 lock_guard 对象std::lock_guardstd::mutex lck(mtx, std::adopt_lock);，注意此时 Tag 参数为 std::adopt_lock，表明当前线程已经获得了锁，此后 mtx 对象的解锁操作交由 lock_guard 对象 lck 来管理，在 lck 的生命周期结束之后，mtx 对象会自动解锁。
       lock_guard 最大的特点就是安全易于使用，请看下面例子（参考），在异常抛出的时候通过 lock_guard 对象管理的 Mutex 可以得到正确地解锁。

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#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard
#include <stdexcept>      // std::logic_error
 
std::mutex mtx;
 
void print_even(int x)
{
    if(x % 2 == 0) std::cout << x << " is even\n";
    else throw (std::logic_error("not even"));
}
 
void print_thread_id(int id)
{
    try
    {
        // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception:
        std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
        print_even(id);
    }
    catch(std::logic_error&)
    {
        std::cout << "[exception caught]\n";
    }
}
 
int main()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for(int i = 0; i<10; ++i)
    {
        threads[i] = std::thread(print_thread_id, i + 1);
    }
 
    for(auto& th : threads)
    {
        th.join();
    }
    return 0;
}

std::unique_lock

       但是 lock_guard 最大的缺点也是简单，没有给程序员提供足够的灵活度，因此，C++11 标准中定义了另外一个与 Mutex RAII 相关类 unique_lock，该类与 lock_guard 类相似，也很方便线程对互斥量上锁，但它提供了更好的上锁和解锁控制。
       顾名思义，unique_lock 对象以独占所有权的方式（ unique owership）管理 mutex 对象的上锁和解锁操作，所谓独占所有权，就是没有其他的 unique_lock 对象同时拥有某个 mutex 对象的所有权。
       在构造（或移动move赋值）时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。
       std::unique_lock 对象也能保证在其自身析构时它所管理的 Mutex 对象能够被正确地解锁（即使没有显式地调用 unlock 函数）。因此，和 lock_guard 一样，这也是一种简单而又安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。
       值得注意的是，unique_lock 对象同样也不负责管理 Mutex 对象的生命周期，unique_lock 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个 unique_lock 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 unique_lock 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁，这一点和 lock_guard 类似，但 unique_lock 给程序员提供了更多的自由，我会在下面的内容中给大家介绍 unique_lock 的用法。
       std::unique_lock 构造函数：
default (1) unique_lock() noexcept;
locking (2) explicit unique_lock(mutex_type& m);
try-locking (3) unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag);
deferred (4) unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept;
adopting (5) unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
locking for (6) template unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
locking until (7) template unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
copy[deleted] (8) unique_lock(const unique_lock&) = delete;
move (9) unique_lock(unique_lock&& x);

       下面我们来分别介绍以上各个构造函数：
       1.默认构造函数
       新创建的 unique_lock 对象不管理任何 Mutex 对象。
       2.locking 初始化
       新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.lock() 对 Mutex 对象进行上锁，如果此时另外某个 unique_lock 对象已经管理了该 Mutex 对象 m，则当前线程将会被阻塞。
       3.try-locking 初始化
       新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.try_lock() 对 Mutex 对象进行上锁，但如果上锁不成功，并不会阻塞当前线程。
       4.deferred 初始化
       新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，但是在初始化的时候并不锁住 Mutex 对象。m 应该是一个没有当前线程锁住的 Mutex 对象。
       5.adopting 初始化
       新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m， m 应该是一个已经被当前线程锁住的 Mutex 对象。（并且当前新创建的 unique_lock 对象拥有对锁（Lock）的所有权）。
       6.locking 一段时间（duration）
       新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并试图通过调用 m.try_lock_for(rel_time) 来锁住 Mutex 对象一段时间（rel_time）。
       7.locking 直到某个时间点（time point）
       新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象m，并试图通过调用 m.try_lock_until(abs_time) 来在某个时间点（abs_time）之前锁住 Mutex 对象。
       8.拷贝构造
       unique_lock 对象不能被拷贝构造。
       9.移动构造
       新创建的 unique_lock 对象获得了由 x 所管理的 Mutex 对象的所有权（包括当前 Mutex 的状态）。调用 move 构造之后， x 对象如同通过默认构造函数所创建的，就不再管理任何 Mutex 对象了。
       综上所述，由 (2) 和 (5) 创建的 unique_lock 对象通常拥有 Mutex 对象的锁。而通过（1）和（4）创建的则不会拥有锁。通过（3），（6）和（7）创建的 unique_lock 对象，则在 lock 成功时获得锁。
       关于unique_lock 的构造函数，请看下面例子参考：

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#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock, std::unique_lock
// std::adopt_lock, std::defer_lock
std::mutex foo, bar;
 
void task_a()
{
    std::lock(foo, bar);         // simultaneous lock (prevents deadlock)
    std::unique_lock<std::mutex> lck1(foo, std::adopt_lock);
    std::unique_lock<std::mutex> lck2(bar, std::adopt_lock);
    std::cout << "task a\n";
    // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)
}
 
void task_b()
{
    // foo.lock(); bar.lock(); // replaced by:
    std::unique_lock<std::mutex> lck1, lck2;
    lck1 = std::unique_lock<std::mutex>(bar, std::defer_lock);
    lck2 = std::unique_lock<std::mutex>(foo, std::defer_lock);
    std::lock(lck1, lck2);       // simultaneous lock (prevents deadlock)
    std::cout << "task b\n";
    // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)
}
 
int main()
{
    std::thread th1(task_a);
    std::thread th2(task_b);
 
    th1.join();
    th2.join();
    return 0;
}

本文标题:C++11 新特性之锁

文章作者:

发布时间:2017年01月30日 - 10时30分

最后更新:2023年07月21日 - 23时59分

原始链接:https://greedysky.github.io/2017/01/30/C++11%E6%96%B0%E7%89%B9%E6%80%A7%E4%B9%8B%E9%94%81/

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文章目录
  1. 1. 介绍
    1. 1.1. mutex类4种
    2. 1.2. lock类2种
    3. 1.3. 其他类型
    4. 1.4. 函数
  2. 2. mutex
    1. 2.1. std::mutex
    2. 2.2. std::recursive_mutex
    3. 2.3. std::time_mutex
    4. 2.4. std::recursive_timed_mutex
  3. 3. lock
    1. 3.1. std::lock_guard
    2. 3.2. std::unique_lock