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C++11并发之std::thread
本文概要:
1、 头文件。
2、std::mutex。
3、std::recursive_mutex。
4、std::time_mutex。
5、std::lock_guard 与 std::unique_lock。
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 #include 头文件中,所以如果你需要使用 std::mutex,就必须包含 #include 头文件。
1、 头文件。
Mutex 系列类(四种)
- 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(两种)
- 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。
2、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:
a)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。
b)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。
c)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:
a)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。
b)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。
c)如果当前互斥量被当前调用线程锁住,则会产生死锁 (deadlock) 。
std::mutex的例子如下:
#include //std::cout
#include //std::thread
#include //std::mutex
#include //std::atomic
using namespace std;
atomic_int counter{ 0 }; //原子变量
mutex g_mtx; //互斥量
void fun()
{
for (int i = 0; i <</span> 1000000; ++i)
{
if (g_mtx.try_lock()) //尝试是否可以加锁
{
++counter;
g_mtx.unlock(); //解锁
}
}
}
int main()
{
thread threads[10];
for (int i = 0; i <</span> 10; ++i)
{
threads[i] = thread(fun);
}
for (auto & th : threads)
{
th.join();
}
cout << "counter=" << counter << endl;
system("pause");
return 0;
}
运行结果:
counter=1342244
从例子可知,10个线程不会产生死锁,由于 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。但是这样会导致结果不正确,这也就是线程安全的问题,前面在 C++11并发之std::thread T7 中详细介绍了这个问题。
3、std::recursive_mutex。
如果一个线程中可能在执行中需要再次获得锁的情况,按常规的做法会出现死锁。
例如:
#include //std::cout
#include //std::thread
#include //std::mutex
using namespace std;
mutex g_mutex;
void threadfun1()
{
cout << "enter threadfun1" << endl;
lock_guard lock(g_mutex);
cout << "execute threadfun1" << endl;
}
void threadfun2()
{
cout << "enter threadfun2" << endl;
lock_guard lock(g_mutex);
threadfun1();
cout << "execute threadfun2" << endl;
}
int main()
{
threadfun2(); //死锁
//Unhandled exception at 0x758BC42D in Project2.exe: Microsoft C++ exception: std::system_error at memory location 0x0015F140.
return 0;
}
运行结果:
enter threadfun2
enter threadfun1
//就会产生死锁
此时就需要使用递归式互斥量 recursive_mutex 来避免这个问题。recursive_mutex不会产生上述的死锁问题,只是是增加锁的计数,但必须确保你unlock和lock的次数相同,其他线程才可能锁这个mutex。
例如:
#include //std::cout
#include //std::thread
#include //std::mutex
using namespace std;
recursive_mutex g_rec_mutex;
void threadfun1()
{
cout << "enter threadfun1" << endl;
lock_guard lock(g_rec_mutex);
cout << "execute threadfun1" << endl;
}
void threadfun2()
{
cout << "enter threadfun2" << endl;
lock_guard lock(g_rec_mutex);
threadfun1();
cout << "execute threadfun2" << endl;
}
int main()
{
threadfun2(); //利用递归式互斥量来避免这个问题
return 0;
}
运行结果:
enter threadfun2
enter threadfun1
execute threadfun1
execute threadfun2
结论:
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。
4、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。
例如:
#include //std::cout
#include //std::thread
#include //std::mutex
using namespace std;
std::timed_mutex g_t_mtx;
void fun()
{
while (!g_t_mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200)))
{
cout << "-";
}
this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
cout << "*" << endl;
g_t_mtx.unlock();
}
int main()
{
std::thread threads[10];
for (int i = 0; i <</span> 10; i++)
{
threads[i] = std::thread(fun);
}
for (auto & th : threads)
{
th.join();
}
return 0;
}
运行结果:
------------------------------------*
----------------------------------------*
-----------------------------------*
------------------------------*
-------------------------*
--------------------*
---------------*
----------*
-----*
*
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。
5、std::lock_guard 与 std::unique_lock。
上面介绍的方法对 mutex 的加解锁都是手动的,接下来介绍 std::lock_guard 与 std::unique_lock 对 mutex 进行自动加解锁。
例如:
#include //std::cout
#include //std::thread
#include //std::mutex
#include //std::atomic
using namespace std;
mutex g_mtx1;
atomic_int num1{ 0 };
void fun1()
{
for (int i = 0; i <</span> 10000000; i++)
{
unique_lock ulk(g_mtx1);
num1++;
}
}
mutex g_mtx2;
atomic_int num2{ 0 };
void fun2()
{
for (int i = 0; i <</span> 10000000; i++)
{
lock_guard lckg(g_mtx2);
num2++;
}
}
int main()
{
thread th1(fun1);
thread th2(fun1);
th1.join();
th2.join();
cout << "num1=" << num1 << endl;
thread th3(fun2);
thread th4(fun2);
th3.join();
th4.join();
cout << "num2=" << num2 << endl;
return 0;
}
运行结果:
num1=20000000
num2=20000000
接下来,分析一下这两者的区别:
(1)unique_lock。
unique_lock ulk(g_mtx1);
线程没有 g_mtx1 的所有权,根据块语句的循环实现自动加解锁。
线程根据 g_mtx1 属性,来判断是否可以加锁、解锁。
(2)lock_guard。
lock_guard lckg(g_mtx2);
线程拥有 g_mtx2 的所有权,实现自动加解锁。
线程读取 g_mtx2 失败时,则一直等待,直到读取成功。
线程会把 g_mtx2 一直占有,直到当前线程完成才释放,其它线程才能访问。