【并發(fā)編程九】c++線程同步——互斥（mutex）

• 一、互斥
• • 1、mutex
  • • 1.1、mutex
    • 1.2、 lock_guard
    • 1.3、 RAII
  • 2、std::recursive_mutex
  • 3、std::shared_mutex、std::shared_lock、std::unique_lock
  • 4、std::scoped_lock
• 二、條件變量
• 三、future
• 四、信號量

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• 簡介：
  本篇文章，我們詳細(xì)的介紹下c++標(biāo)準(zhǔn)庫提供的線程同步方法中的第一個(gè)——互斥（mutex）。

一、互斥

• 互斥算法避免多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源。這會避免數(shù)據(jù)競爭，并提供線程間的同步支持。
  前四個(gè)定義于頭文件，后兩個(gè)定義于頭文件

互斥類型	解釋
mutex(C++11)	提供基本互斥設(shè)施(類)
timed_mutex(C++11)	提供互斥設(shè)施，實(shí)現(xiàn)有時(shí)限鎖定(類)
recursive_mutex(C++11)	提供能被同一線程遞歸鎖定的互斥設(shè)施(類)
recursive_timed_mutex(C++11)	提供能被同一線程遞歸鎖定的互斥設(shè)施，并實(shí)現(xiàn)有時(shí)限鎖定(類)
shared_mutex(C++17)	提供共享互斥設(shè)施(類)
shared_timed_mutex(C++14)	提供共享互斥設(shè)施并實(shí)現(xiàn)有時(shí)限鎖定(類)

• 通用互斥管理
  定義于頭文件

互斥管理	解釋
lock_guard(C++11)	實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格基于作用域的互斥體所有權(quán)包裝器(類模板)
scoped_lock (C++17)	用于多個(gè)互斥體的免死鎖 RAII 封裝器(類模板)
unique_lock (C++11)	實(shí)現(xiàn)可移動的互斥體所有權(quán)包裝器(類模板)
shared_lock(C++14)	實(shí)現(xiàn)可移動的共享互斥體所有權(quán)封裝器(類模板)
defer_lock_t(C++11) try_to_lock_t(C++11) adopt_lock_t(C++11)	用于指定鎖定策略的標(biāo)簽類型(類)
defer_lock(C++11) try_to_lock(C++11) adopt_lock(C++11)	用于指定鎖定策略的標(biāo)簽常量(常量)

1、mutex 1.1、mutex

• mutex 類是能用于保護(hù)共享數(shù)據(jù)免受從多個(gè)線程同時(shí)訪問的同步原語。
• 通常不直接使用 std::mutex ,我們通常使用 std::unique_lock 、 std::lock_guard 或 std::scoped_lock (C++17 起)以更加異常安全的方式管理鎖定。
• 此示例展示 mutex 能如何用于在保護(hù)共享于二個(gè)線程間的 std::map 。
• 如果不會map加鎖，我們輸出的map中的值時(shí)，可能只有一個(gè)值。

1.2、 lock_guard

• 類 lock_guard 是互斥體包裝器，為在作用域塊期間占有互斥提供便利 RAII 風(fēng)格機(jī)制。
• 創(chuàng)建 lock_guard 對象時(shí)，它試圖接收給定互斥的所有權(quán)?？刂齐x開創(chuàng)建 lock_guard 對象的作用域時(shí)，銷毀lock_guard 并釋放互斥。
• lock_guard 類不可復(fù)制。

1.3、 RAII

• 資源獲取即初始化（Resource Acquisition Is Initialization），或稱 RAII，是一種 C++ 編程技術(shù)，它將必須在使用前請求的資源（分配的堆內(nèi)存、執(zhí)行線程、打開的套接字、打開的文件、鎖定的互斥體、磁盤空間、數(shù)據(jù)庫連接等——任何存在受限供給中的事物）的生命周期綁定與一個(gè)對象的生存期相綁定。

#include#include

2、std::recursive_mutex

• recursive_mutex 類是同步原語，能用于保護(hù)共享數(shù)據(jù)免受從個(gè)多線程同時(shí)訪問。
• recursive_mutex 提供排他性遞歸所有權(quán)語義：
• recursive_mutex 的使用場景之一是保護(hù)類中的共享狀態(tài)，而類的成員函數(shù)可能相互調(diào)用
• 用法：
  recursive_mutex的用處和mutex差不多，用于限制多線程同時(shí)訪問同一個(gè)變量，用來加鎖，保證多個(gè)線程，同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程在修改變量；和mutex不同的時(shí)，recursive_mutex可以允許同一個(gè)線程遞歸的去加鎖，線程只有加鎖次數(shù)和釋放次數(shù)相同時(shí)，才會釋放變量的控制權(quán)；例如下面的fun2中調(diào)用了fun1，但是fun1和fun2中都加了鎖，如果使用mutex，在fun1加鎖，在fun2中再次加鎖，就會造成死鎖；所以recursive_mutex可以避免遞歸嵌套調(diào)用時(shí)，造成的死鎖問題；遞歸調(diào)用不會死鎖，同一線程使用recursive_mutex加鎖次數(shù)和解鎖次數(shù)相等時(shí)釋放控制權(quán)；

#include#include#includeclass X {std::recursive_mutex m;
    std::string shared;
public:
    void fun1() {std::lock_guardlk(m);
        shared = "fun1";
        std::cout<< "in fun1, shared variable is now "<< shared<< '\n';
    }
    void fun2() {std::lock_guardlk(m);
        shared = "fun2";
        std::cout<< "in fun2, shared variable is now "<< shared<< '\n';
        fun1(); // 遞歸鎖在此處變得有用
        std::cout<< "back in fun2, shared variable is "<< shared<< '\n';
    };
};

int main()
{X x;
    std::thread t1(&X::fun1, &x);
    std::thread t2(&X::fun2, &x);
    t1.join();
    t2.join();
}

3、std::shared_mutex、std::shared_lock、std::unique_lock

C++17 std::shared_mutex的替代方案boost::shared_mutex
shared_mutex 類，結(jié)合 unique_lock 與 shared_lock 的使用，可以實(shí)現(xiàn)讀寫鎖。

通常讀寫鎖需要完成以下功能：

• 1.當(dāng) data 被線程A讀取時(shí)，其他線程仍可以進(jìn)行讀取卻不能寫入
• 2.當(dāng) data 被線程A寫入時(shí)，其他線程既不能讀取也不能寫入

對應(yīng)于功能1,2我們可以這樣來描述：

• 1.當(dāng)線程A獲得共享鎖時(shí)，其他線程仍可以獲得共享鎖但不能獲得獨(dú)占鎖
• 2.當(dāng)線程A獲得獨(dú)占鎖時(shí)，其他線程既不能獲得共享鎖也不能獲得獨(dú)占鎖

#include#include#includeusing namespace std;

typedef std::shared_lockread_lock;
typedef std::unique_lockwrite_lock;

std::shared_mutex read_write_mutex;
int32_t g_data =0;

//線程A,讀data
void fun1()
{for (size_t i = 0; i< 10; i++)
    {read_lock rlock(read_write_mutex);
        cout<< "t1：g_data="<< g_data<< endl;
    }
}

//線程B,讀data
void fun2()
{for (size_t i = 0; i< 10; i++)
    {read_lock rlock(read_write_mutex);
        std::cout<<"t2：g_data="<< g_data<< endl;
    }
}

//線程C,寫data
void fun3()
{for (size_t i = 0; i< 10; i++)
    {write_lock rlock(read_write_mutex);
        g_data++;
        std::cout<< "t3：g_data="<< g_data<< endl;
    }
}

int main()
{thread t3(fun3);
    thread t1(fun1);
    thread t2(fun2);
    
 
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
}

輸出如下

結(jié)果說明：

• 線程1和線程2可以同時(shí)讀，
  （由于io是進(jìn)程間共享的，可以看到線程1和2同時(shí)操作時(shí)，在換行endl還沒有輸出完，兩個(gè)線程出現(xiàn)了搶占io資源，所以，我們看到了t1和t2輸出到了同一行）
• 在線程1或者線程2加了鎖讀時(shí)，我們的線程3不可以寫的。（所以，我們看不到t3和t1或者t2在同一行）
• 線程3寫入時(shí)，不允許線程1和線程3寫入。（所以，我們看不到t3和t1或者t2在同一行）

簡單總結(jié)下

• std::shared_lock是讀鎖，被鎖后仍允許其他線程執(zhí)行同樣被shared_lock的代碼，
  當(dāng)data被線程A讀取時(shí)，仍允許其它線程讀取data，但是不能寫入。
• std::unique_lock是寫鎖。被鎖后不允許其他線程執(zhí)行被shared_lock或unique_lock的代碼。
  在寫操作時(shí)，一般用這個(gè)，可以同時(shí)限制unique_lock的寫和share_lock的讀。

4、std::scoped_lock

lock_guard:更加靈活的鎖管理類模板，構(gòu)造時(shí)是否加鎖是可選的，在對象析構(gòu)時(shí)如果持有鎖會自動釋放鎖，所有權(quán)可以轉(zhuǎn)移。對象生命期內(nèi)允許手動加鎖和釋放鎖。

scope_lock:嚴(yán)格基于作用域(scope-based)的鎖管理類模板，構(gòu)造時(shí)是否加鎖是可選的(不加鎖時(shí)假定當(dāng)前線程已經(jīng)獲得鎖的所有權(quán))，析構(gòu)時(shí)自動釋放鎖，所有權(quán)不可轉(zhuǎn)移，對象生存期內(nèi)不允許手動加鎖和釋放鎖。

share_lock:用于管理可轉(zhuǎn)移和共享所有權(quán)的互斥對象。

• scope_lock和lock_guard相比，可以簡單的理解，在生命周期內(nèi)，scope_lock不允許手動加鎖和釋放鎖，而lock_guard可以。

參考：
1、https://www.apiref.com/cpp-zh/cpp/thread.html
2、https://en.cppreference.com/w/cpp/thread
3、書籍《c++服務(wù)器開發(fā)精髓》——張遠(yuǎn)龍

二、條件變量

• 參見【并發(fā)編程十】c++線程同步——條件變量（condition_variable）

三、future

• 參見【并發(fā)編程十一】c++線程同步——future

四、信號量

• 參見【并發(fā)編程十二】c++線程同步——信號量（semaphore）

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