C++11并发之std::mutex

知识链接：

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：

1. #include //std::cout
2. #include //std::thread
3. #include //std::mutex
4. #include //std::atomic
5. using namespace std;
6. atomic_int counter{ 0 }; //原子变量
7. mutex g_mtx; //互斥量
8. void fun()
9. {
10. for (int i = 0; i <</span> 1000000; ++i)
11. {
12. if (g_mtx.try_lock()) //尝试是否可以加锁
13. {
14. ++counter;
15. g_mtx.unlock(); //解锁
16. }
17. }
18. }
19. int main()
20. {
21. thread threads[10];
22. for (int i = 0; i <</span> 10; ++i)
23. {
24. threads[i] = thread(fun);
25. }
26. for (auto & th : threads)
27. {
28. th.join();
29. }
30. cout << "counter=" << counter << endl;
31. system("pause");
32. return 0;
33. }
34. 运行结果：
35. 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：

1. #include //std::cout
2. #include //std::thread
3. #include //std::mutex
4. using namespace std;
5. mutex g_mutex;
6. void threadfun1()
7. {
8. cout << "enter threadfun1" << endl;
9. lock_guard lock(g_mutex);
10. cout << "execute threadfun1" << endl;
11. }
12. void threadfun2()
13. {
14. cout << "enter threadfun2" << endl;
15. lock_guard lock(g_mutex);
16. threadfun1();
17. cout << "execute threadfun2" << endl;
18. }
19. int main()
20. {
21. threadfun2(); //死锁
22. //Unhandled exception at 0x758BC42D in Project2.exe: Microsoft C++ exception: std::system_error at memory location 0x0015F140.
23. return 0;
24. }
25. 运行结果:
26. enter threadfun2
27. enter threadfun1
28. //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：

1. #include //std::cout
2. #include //std::thread
3. #include //std::mutex
4. using namespace std;
5. recursive_mutex g_rec_mutex;
6. void threadfun1()
7. {
8. cout << "enter threadfun1" << endl;
9. lock_guard lock(g_rec_mutex);
10. cout << "execute threadfun1" << endl;
11. }
12. void threadfun2()
13. {
14. cout << "enter threadfun2" << endl;
15. lock_guard lock(g_rec_mutex);
16. threadfun1();
17. cout << "execute threadfun2" << endl;
18. }
19. int main()
20. {
21. threadfun2(); //利用递归式互斥量来避免这个问题
22. return 0;
23. }
24. 运行结果:
25. enter threadfun2
26. enter threadfun1
27. execute threadfun1
28. 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：

1. #include //std::cout
2. #include //std::thread
3. #include //std::mutex
4. using namespace std;
5. std::timed_mutex g_t_mtx;
6. void fun()
7. {
8. while (!g_t_mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200)))
9. {
10. cout << "-";
11. }
12. this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
13. cout << "*" << endl;
14. g_t_mtx.unlock();
15. }
16. int main()
17. {
18. std::thread threads[10];
19. for (int i = 0; i <</span> 10; i++)
20. {
21. threads[i] = std::thread(fun);
22. }
23. for (auto & th : threads)
24. {
25. th.join();
26. }
27. return 0;
28. }
29. 运行结果:
30. ------------------------------------*
31. ----------------------------------------*
32. -----------------------------------*
33. ------------------------------*
34. -------------------------*
35. --------------------*
36. ---------------*
37. ----------*
38. -----*
39. *

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：

1. #include //std::cout
2. #include //std::thread
3. #include //std::mutex
4. #include //std::atomic
5. using namespace std;
6. mutex g_mtx1;
7. atomic_int num1{ 0 };
8. void fun1()
9. {
10. for (int i = 0; i <</span> 10000000; i++)
11. {
12. unique_lock ulk(g_mtx1);
13. num1++;
14. }
15. }
16. mutex g_mtx2;
17. atomic_int num2{ 0 };
18. void fun2()
19. {
20. for (int i = 0; i <</span> 10000000; i++)
21. {
22. lock_guard lckg(g_mtx2);
23. num2++;
24. }
25. }
26. int main()
27. {
28. thread th1(fun1);
29. thread th2(fun1);
30. th1.join();
31. th2.join();
32. cout << "num1=" << num1 << endl;
33. thread th3(fun2);
34. thread th4(fun2);
35. th3.join();
36. th4.join();
37. cout << "num2=" << num2 << endl;
38. return 0;
39. }
40. 运行结果:
41. num1=20000000
42. 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。