C11线程管理：互斥锁

Posted 2020-10-16 渔舟唱晚

1、概述

　　锁类型

　　c11提供了跨平台的线程同步手段，用来保护多线程同时访问的共享数据。
　　std::mutex，最基本的 Mutex 类，独占的互斥量，不能递归使用。
　　std::time_mutex，带超时的独占互斥量，不能递归使用。
　　std::recursive_mutex，递归互斥量，不带超时功能。
　　std::recursive_timed_mutex，带超时的递归互斥量。

　　lock类型

　　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。

　　锁函数

　　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::unlock，解锁。

2、独占互斥量std::mutex

　　互斥量使用都很简单，接口用法也很简单。一般是通过lock()来阻塞线程，直到获取到互斥量为止。在获取互斥量完成之后，使用unlock()来解除互斥量的占用。lock()和unlock()必须成对出现。

　　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。

　　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：(1). 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。(2). 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。(3). 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

　　unlock()， 解锁，释放对互斥量的所有权。

　　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，(1). 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。(2). 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。(3). 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>

std::mutex g_lock;

void vFunc()
{
    g_lock.lock();

    std::cout << "entered thread:" << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout << "leave thread:" << std::this_thread::get_id() << std::endl;

    g_lock.unlock();
}

int main()
{
    std::thread t(vFunc);
    std::thread t1(vFunc);
    std::thread t2(vFunc);

    t.join();
    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}
//输出结果
entered thread:4420
leave thread:4420
entered thread:5288
leave thread:5288
entered thread:1432
leave thread:1432

3、std::lock_guard和std::unique_lock

　　使用lock_guard和std::unique_lock可以简化lock/unlock的写法，同时也更安全，因为lock_guard使用了RAII技术，在构造分配资源，在析构释放资源，会在构造的时候自动锁定互斥量，在退出作用域之后进行析构自动解锁。所以不用担心没有解锁的情况，更加安全。

　　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，它可以自由的释放mutex，而std::lock_guard需要等生命周期结束才能释放。

void vFunc()
{
    std::lock_guard<std::mutex> locker(g_lock);//出作用域自动解锁
    std::cout << "entered thread:" << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout << "leave thread:" << std::this_thread::get_id() << std::endl;
}

3、递归互斥锁std::recuisive_mutex

　　同一个线程不能多次获取同一个独占互斥锁，一个线程多次获取同一个互斥锁发生死锁。

//std::mutex mutex;

void funcA()
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    //do something
}

void funcB()
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    //do something
}

void funcC()
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    funcA();
    funcB();
}

int main()
{
    //发生死锁，funcC已经获取，无法释放，funcA无法获取
    funcC(); 
    
    return 0;
}

　　为了解决死锁的问题，C11有了递归锁std::recursive_mutex，递归锁允许一个线程多次获取该锁。

//std::recursive_mutex mutex;

void funcA()
{
    std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
    //do something
}

void funcB()
{
    std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
    //do something
}

void funcC()
{
    std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
    funcA();
    funcB();
}

int main()
{
    //同一个线程可以多次获取同一互斥量，不会发生死锁
    funcC(); 
    
    return 0;
}

　　需要注意的是，尽量少用递归锁，原因如下：

　　允许递归互斥容易放纵复杂逻辑的产生，从而导致一些多线程同步引起的晦涩问题；
　　递归锁比非递归锁效率低；
　　递归锁虽然可以在同一线程多次获取，但是获取次数过多容易发生问题，引发std::system错误。

4、超时锁

　　std::time_mutex是超时的独占锁，std::recursive_timed_mutex是超时的递归锁，主要用于在获取锁时增加超时等待功能，设置一个等待获取锁的时间，超时后做其他的事情。超时锁多了两个获取锁的接口，try_lock_for和try_lock_until，这两个接口用来获取互斥量的超时时间。

　　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。

#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;
}