C++ 互斥锁原理以及实际使用介绍

C/C++
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2023-05-13
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目录
  • 一、互斥原理（mutex）
  • 二、递归互斥量（Recursive Mutex）
  • 三、读写锁（Read-Write Lock）
  • 四、条件变量（Condition Variable）
  • 五、总结

一、互斥原理（mutex）

互斥锁可以确保在任何时候只有一个线程能够进入临界区。当线程需要进入临界区时，它会尝试获取互斥锁的所有权，如果互斥锁已经被其他线程占用，那么当前线程就会进入阻塞状态，直到互斥锁被释放为止。简单说就是一块区域只能被一个线程执行。

当一个线程获取到互斥锁的所有权后，它就可以进入临界区进行操作，当操作完成后，它需要释放互斥锁，让其他线程有机会进入临界区。

下面是一个简单的互斥锁的示例代码，它演示了如何使用 std::mutex 类来保护临界区：

 
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
// 定义互斥锁
std::mutex g_mutex;
 
// 临界区代码
void critical_section(int thread_id) {
    // 加锁
    g_mutex.lock();
    // 访问共享资源
    std::cout << "Thread " << thread_id << " enter critical section." << std::endl;
    // 释放锁
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
    g_mutex.unlock();
}
 
int main() {
    // 创建两个线程
    std::thread t1(critical_section, 1);
    std::thread t2(critical_section, 2);
    // 等待两个线程执行完成
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

main中创建两个线程去访问资源，但是其中一个需要等待另一个线程5s释放后才能访问，形成对资源的锁定。

上面的例子使用的是std::mutex实现互斥锁，需要注意这个互斥锁的声明需要相对的全局变量，也就是说对于使用锁的部分它必须是“全局的”。

二、递归互斥量（Recursive Mutex）

C++ 中的递归互斥量（Recursive Mutex）是一种特殊的互斥量，它可以被同一个线程多次锁定，而不会发生死锁。递归互斥量的实现原理是，在锁定时维护一个锁定计数器，每次解锁时将计数器减一，只有当计数器为 0 时才会释放锁。

以下是递归互斥量的示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
std::recursive_mutex mtx;
 
void foo(int n) {
    mtx.lock();
    std::cout << "Thread " << n << " locked the mutex." << std::endl;
    if (n > 1) {
        foo(n - 1);
    }
    std::cout << "Thread " << n << " unlocked the mutex." << std::endl;
    mtx.unlock();
}
 
int main() {
    std::thread t1(foo, 3);
    std::thread t2(foo, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个递归函数 foo()，它接受一个整数参数 n，表示当前线程的编号。在函数中，我们首先使用递归互斥量 mtx 锁定当前线程，然后输出一条带有线程编号的信息，接着判断如果 n 大于 1，则递归调用 foo() 函数，并将参数减一。最后，我们输出一条解锁信息，并将递归互斥量解锁。

在主函数中，我们创建了两个线程 t1 和 t2，分别调用 foo() 函数，并传入不同的参数值。由于递归互斥量可以被同一个线程多次锁定，因此在 t1 线程中对 mtx 进行了两次锁定，而在 t2 线程中只进行了一次锁定。

运行结果：

可以看到，递归互斥量可以被同一个线程多次锁定，并且在解锁时必须对应减少锁定计数器。这种机制可以避免死锁的发生，但也需要注意使用时的线程安全问题。

三、读写锁（Read-Write Lock）

读写锁（Read-Write Lock）是一种特殊的互斥锁，用于在多线程环境下对共享资源进行读写操作。它允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。读写锁的使用可以提高并发性能，特别是当读操作比写操作频繁时。

在 C++ 中，读写锁可以通过 std::shared_mutex 类型来实现。下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用读写锁来保护一个共享的整型变量：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <shared_mutex>
 
std::shared_mutex rw_lock; // 读写锁
int shared_var = 0; // 共享变量
 
// 写线程函数
void writer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 独占写锁
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock);
 
        // 写共享变量
        ++shared_var;
        std::cout << "Writer thread: write shared_var=" << shared_var << std::endl;
 
        // 等待一段时间
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}
 
// 读线程函数
void reader(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 共享读锁
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock);
 
        // 读共享变量
        int value = shared_var;
        std::cout << "Reader thread " << id << ": read shared_var=" << value << std::endl;
 
        // 等待一段时间
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}
 
int main() {
    std::thread t1(writer);
    std::thread t2(reader, 1);
    std::thread t3(reader, 2);
    std::thread t4(reader, 3);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    t4.join();
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个共享变量 shared_var 和一个读写锁 rw_lock。写线程函数 writer() 独占写锁，对 shared_var 进行自增操作，并输出当前的值。读线程函数 reader() 共享读锁，读取 shared_var 的值，并输出当前的值。所有的线程都会等待一段时间，以模拟实际的操作。

在主函数中，我们创建了一个写线程和三个读线程。由于读写锁的特性，读线程可以并发读取共享变量，而写线程会独占写锁，只有在写操作完成之后，读线程才能再次读取共享变量。因此，输出结果中读线程的顺序可能会有所不同，但是写线程的操作一定是顺序执行的。

注意，这里使用 std::unique_lockstd::shared_mutex 类型的对象来获取独占写锁，使用 std::shared_lockstd::shared_mutex 类型的对象来获取共享读锁。这些锁对象会在作用域结束时自动解锁，避免了手动解锁的问题。

四、条件变量（Condition Variable）

条件变量（Condition Variable）是一种线程间同步机制，用于在某些特定条件下阻塞或唤醒线程。在 C++ 中，条件变量是通过 std::condition_variable 类来实现的。

下面是一个使用条件变量的示例代码，其中有两个线程，一个线程不停地生产数据，另一个线程则等待数据，当有数据可用时，将数据进行消费。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
 
std::queue<int> data_queue; // 数据队列
std::mutex data_mutex; // 互斥锁
std::condition_variable data_cond; // 条件变量
 
// 生产数据函数
void producer() {
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        // 生产数据
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "Producer thread: produce data " << i << std::endl;
 
        // 唤醒消费线程
        data_cond.notify_one();
    }
}
 
// 消费数据函数
void consumer() {
    while (true) {
        // 等待数据
        std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
        data_cond.wait(lock, [] { return !data_queue.empty(); });
 
        // 消费数据
        int data = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        std::cout << "Consumer thread: consume data " << data << std::endl;
 
        // 检查是否结束
        if (data == 10) {
            break;
        }
    }
}
 
int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个数据队列 data_queue 和一个互斥锁 data_mutex，同时定义了一个条件变量 data_cond。生产数据的函数 producer() 不停地往队列中添加数据，每次添加完数据之后，通过调用 data_cond.notify_one() 唤醒等待的消费线程。消费数据的函数 consumer() 通过调用 data_cond.wait(lock, [] { return !data_queue.empty(); }) 来等待数据，当队列中有数据时，将数据从队列中取出并消费，如果取出的数据是最后一个，则退出循环。

在主函数中，我们创建了一个生产线程和一个消费线程。生产线程生产 10 个数据，消费线程从队列中消费数据，直到消费到最后一个数据为止。

注意，这里使用了 std::unique_lockstd::mutex 类型的对象来获取互斥锁，并使用 lambda 表达式 [] { return !data_queue.empty(); } 来判断条件是否满足。在调用 wait() 函数时，当前线程会阻塞，直到条件变量被其他线程唤醒或超时。当 wait() 函数返回时，当前线程会重新获取互斥。

简单一些的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
 
bool ready = false; // 条件变量
std::mutex data_mutex; // 互斥锁
std::condition_variable data_cond; // 条件变量
 
void do_something() {
    // 模拟工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
}
 
void waiting_thread() {
    // 等待条件变量
    std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
    data_cond.wait(lock, [] { return ready; });
 
    // 条件满足后输出一句话
    std::cout << "Condition satisfied, waiting thread resumes." << std::endl;
    do_something();
}
 
int main() {
    std::thread t1(waiting_thread);
 
    // 模拟条件满足后的操作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(data_mutex);
        ready = true;
        data_cond.notify_one();
    }
 
    t1.join();
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个条件变量 ready 和一个互斥锁 data_mutex，同时定义了一个条件变量 data_cond。等待条件变量的函数 waiting_thread() 首先获取互斥锁，然后通过调用 data_cond.wait(lock, [] { return ready; }) 等待条件变量，当 ready 为 true 时，线程会被唤醒，输出一句话，并模拟一些工作的操作。在主函数中，我们创建了一个等待条件变量的线程 t1，然后模拟条件满足后的操作，即将 ready 设置为 true，然后通过调用 data_cond.notify_one() 唤醒等待的线程。 

五、总结

互斥锁保证了计算机资源访问的安全，互斥锁的不当使用同时也加大了程序阻塞的风险。

提前祝大家五一前工作生活学习一切顺利。

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