c++11 线程的互斥量

为什么需要互斥量

在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于，公司部门里，我在使用着打印机打印东西的同时（还没有打印完），别人刚好也在此刻使用打印机打印东西，如果不做任何处理的话，打印出来的东西肯定是错乱的。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>

// 打印机
void printer(const char *str)
{
    while(*str != ‘\0‘)
    {
        std::cout << *str;
        str++;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    }
    std::cout << std::endl;
}

// 线程一
void func1()
{
    const char *str = "hello";
    printer(str);
}

// 线程二
void func2()
{
    const char *str = "world";
    printer(str);
}

void mytest()
{
    std::thread t1(func1);
    std::thread t2(func2);

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

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

独占互斥量std::mutex

互斥量的基本接口很相似，一般用法是通过lock()方法来阻塞线程，直到获得互斥量的所有权为止。在线程获得互斥量并完成任务之后，就必须使用unlock()来解除对互斥量的占用，lock()和unlock()必须成对出现。try_lock()尝试锁定互斥量，如果成功则返回true, 如果失败则返回false，它是非阻塞的。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

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

std::mutex g_lock; //全局互斥锁对象，#include <mutex>

// 打印机
void printer(const char *str)
{
    g_lock.lock(); //上锁
    while(*str != ‘\0‘)
    {
        std::cout << *str;
        str++;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    }
    std::cout << std::endl;
    g_lock.unlock(); // 解锁
}

// 线程一
void func1()
{
    const char *str = "hello";
    printer(str);
}

// 线程二
void func2()
{
    const char *str = "world";
    printer(str);
}

void mytest()
{
    std::thread t1(func1);
    std::thread t2(func2);

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

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

使用std::lock_guard可以简化lock/unlock的写法，同时也更安全，因为lock_guard在构造时会自动锁定互斥量，而在退出作用域后进行析构时就会自动解锁，从而避免忘了unlock操作。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

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

std::mutex g_lock; //全局互斥锁对象，#include <mutex>

// 打印机
void printer(const char *str)
{
    std::lock_guard<std::mutex> locker(g_lock); // lock_guard 上锁
    while(*str != ‘\0‘)
    {
        std::cout << *str;
        str++;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    }
    std::cout << std::endl;
    // 即将推出作用域 lock_guard 会自动解锁
}

// 线程一
void func1()
{
    const char *str = "hello";
    printer(str);
}

// 线程二
void func2()
{
    const char *str = "world";
    printer(str);
}

void mytest()
{
    std::thread t1(func1);
    std::thread t2(func2);

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

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

原子操作

所谓的原子操作，取的就是“原子是最小的、不可分割的最小个体”的意义，它表示在多个线程访问同一个全局资源的时候，能够确保所有其他的线程都不在同一时间内访问相同的资源。也就是他确保了在同一时刻只有唯一的线程对这个资源进行访问。这有点类似互斥对象对共享资源的访问的保护，但是原子操作更加接近底层，因而效率更高。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>

//全局的结果数据
long total = 0;

//点击函数
void func()
{
    for(int i = 0;  i < 1000000; ++i)
    {
        // 对全局数据进行无锁访问
        total += 1;
    }
}

void mytest()
{
    clock_t start = clock();    // 计时开始

    //线程
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

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

    clock_t end = clock();    // 计时结束

    std::cout << "total = " << total << std::endl;
    std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl;

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

由于线程间对数据的竞争而导致每次运行的结果都不一样。因此，为了防止数据竞争问题，我们需要对total进行原子操作。

通过互斥锁进行原子操作：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

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

std::mutex g_lock;

//全局的结果数据
long total = 0;

//点击函数
void func()
{
    for(int i = 0;  i < 1000000; ++i)
    {
        g_lock.lock(); // 加锁
        total += 1;
        g_lock.unlock(); // 加锁
    }
}

void mytest()
{
    clock_t start = clock();    // 计时开始

    //线程
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

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

    clock_t end = clock();    // 计时结束

    std::cout << "total = " << total << std::endl;
    std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl;

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

每次运行的结果都一样，只是耗时长点。

在新标准C++11，引入了原子操作的概念。

如果我们在多个线程中对这些类型的共享资源进行操作，编译器将保证这些操作都是原子性的，也就是说，确保任意时刻只有一个线程对这个资源进行访问，编译器将保证多个线程访问这个共享资源的正确性。从而避免了锁的使用，提高了效率。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <atomic>

//原子数据类型
std::atomic<long> total(0); //需要头文件 #include <atomic>

//点击函数
void func()
{
    for(int i = 0;  i < 1000000; ++i)
    {
        //
        total += 1;
    }
}

void mytest()
{
    clock_t start = clock();    // 计时开始

    //线程
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

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

    clock_t end = clock();    // 计时结束

    std::cout << "total = " << total << std::endl;
    std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl;

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

原子操作的实现跟普通数据类型类似，但是它能够在保证结果正确的前提下，提供比mutex等锁机制更好的性能。