C++11：互斥锁std::mutex和std::lock_guard/std::unique_lock

Posted 2023-02-05 木大白易

简介

C++11中新增了std::mutex，它是C++标准程序库中的一个头文件，定义了C++11标准中的一些互斥访问的类与方法等。

mutex是mutual exclusion（互斥）的简写。
共有4个类可以使用：

API	说明
mutex	提供基本互斥设施
timed_mutex	提供互斥设施，带有超时功能
recursive_mutex	提供能被同一线程递归锁定的互斥设施
recursive_timed_mutex	提供能被同一线程递归锁定的互斥设施，带有超时功能

mutex的函数成员

访问共享数据的代码片段称之为临界区（critical section）。

我们现在先只关注最基本的mutex，mutex是最基础的API。其他类都是在它的基础上的改进。所以这些类都提供了下面三个方法，并且它们的功能是一样的：

方法	说明
lock()	锁定互斥体，如果不可用，则阻塞
try_lock()	尝试锁定互斥体，如果不可用，直接返回
unlock ()	解锁互斥体

这三个方法提供了基础的锁定和解除锁定的功能。使用lock意味着你有很强的意愿一定要获取到互斥体，而使用try_lock则是进行一次尝试。这意味着如果失败了，你通常还有其他的路径可以走。

所以最基本的使用：

std::mutex mtx;

void someOp()
	mtx.lock(); //加锁
	... //执行你的操作，这块是临界区
	mtx.unlock(); //解锁

在进入临界区时，执行lock()加锁操作，如果这时已经被其它线程锁住，则当前线程在此排队等待。退出临界区时，执行unlock()解锁操作。

通用互斥管理

互斥体（mutex相关类）提供了对于资源的保护功能，但是手动的锁定（调用lock或者try_lock）和解锁（调用unlock）互斥体是要耗费比较大的精力的。因为我们需要保证，在任何情况下，解锁要和加锁配对，因为假设出现一条路径导致获取锁之后没有正常释放（比如在临界区中因为抛出异常或return等操作导致没有解锁就退出的问题），就会影响整个系统。如果考虑方法还可以会抛出异常，这样的代码写起来会很费劲。

更好的办法是采用“资源分配时初始化(RAII)”方法来加锁、解锁，标准库就提供了下面的这些API，来简化我们手动加锁和解锁的“体力活”。

API	说明
lock_guard	实现严格基于作用域的互斥体所有权包装器
unique_lock	实现可移动的互斥体所有权包装器

锁定策略	说明
defer_lock	类型为 defer_lock_t，不获得互斥的所有权
try_to_lock	类型为try_to_lock_t，尝试获得互斥的所有权而不阻塞
adopt_lock	类型为adopt_lock_t，假设调用方已拥有互斥的所有权

lock_guard

所以上边的代码可以变成这样：

std::mutex mtx;

void someOp()
	std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);; //加锁
	... //执行你的操作，这块是临界区

//出了作用域，自动释放锁mtx

在std::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，不需要程序员手动调用lock和unlock对mutex进行上锁和解锁操作。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对象的生命周期内，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。程序员可以非常方便地使用lock_guard，而不用担心异常安全问题。

unique_lock

unique_lock具有lock_guard的全部功能，但是更加灵活：

1. lock_guard在构造时或者构造前（std::adopt_lock）就已经获取互斥锁，并且在作用域内保持获取锁的状态，直到作用域结束；而unique_lock在构造时或者构造后（std::defer_lock）获取锁，在作用域范围内可以手动获取锁和释放锁，作用域结束时如果已经获取锁则自动释放锁。
2. lock_guard锁的持有只能在lock_guard对象的作用域范围内，作用域范围之外锁被释放，而unique_lock对象支持移动操作，可以将unique_lock对象通过函数返回值返回，这样锁就转移到外部unique_lock对象中，延长锁的持有时间。

所以上边代码也可以这样：

std::mutex mtx;

void someOp()
	std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock);; //此时还未加锁
	lock.lock();//手动获取锁
	... //执行你的操作，这块是临界区
	lock.unlock();//手动释放锁

另外和条件变量condition_variable一起使用的时候，也需要用unique_lock！

推荐阅读

C++ 并发编程（从C++11到C++17）