C++ 11中的互斥量，聲明在 <mutex> 頭文件中，互斥量的使用可以在各種方面，比較常用在對共享數(shù)據(jù)的讀寫上，如果有多個(gè)線程同時(shí)讀寫一個(gè)數(shù)據(jù)，那么想要保證多線程安全，就必須對共享變量的讀寫進(jìn)行保護(hù)(上鎖)，從而保證線程安全。

互斥量主要有四中類型：

• std::mutex，最基本的 Mutex 類。
• std::recursive_mutex，遞歸 Mutex 類。
• std::time_mutex，限時(shí) Mutex 類。
• std::recursive_timed_mutex，限時(shí)遞歸 Mutex 類。

當(dāng)然C++14和C++17各增加了一個(gè)：

• std::shared_timed_mutex，限時(shí)讀寫鎖（C++14）
• std::shared_mutex，讀寫鎖（C++17）

std::mutex

構(gòu)造函數(shù)

mutex();
mutex(const mutex&) = delete;

從上面的構(gòu)造函數(shù)可以看出，std::mutex不允許拷貝構(gòu)造，當(dāng)然也不允許move，最初構(gòu)造的mutex對象是處于未鎖定狀態(tài)的，若構(gòu)造不成功會拋出 std::system_error 。

析構(gòu)函數(shù)

~mutex();

銷毀互斥。若互斥被線程占有，或在占有mutex時(shí)線程被終止，則會產(chǎn)生未定義行為。

lock

void lock();

鎖定互斥，調(diào)用線程將鎖住該互斥量。線程調(diào)用該函數(shù)會發(fā)生下面 3 種情況：

• 如果該互斥量當(dāng)前沒有被其他線程鎖住，則調(diào)用線程將該互斥量鎖住，直到調(diào)用unlock之前，該線程一直擁有該鎖。
• 如果當(dāng)前互斥量被其他線程鎖住，則當(dāng)前的調(diào)用線程被阻塞住，指導(dǎo)其他線程unlock該互斥量。
• 如果當(dāng)前互斥量被當(dāng)前調(diào)用線程鎖住，則會產(chǎn)生死鎖(deadlock)。

try_lock

bool try_lock();

嘗試鎖住互斥量，立即返回。成功獲得鎖時(shí)返回 true ，否則返回 false。

如果互斥量被其他線程占有，則當(dāng)前線程也不會被阻塞。線程調(diào)用該函數(shù)也會出現(xiàn)下面 3 種情況：

• 如果當(dāng)前互斥量沒有被其他線程占有，則該線程鎖住互斥量，直到該線程調(diào)用 unlock 釋放互斥量。
• 如果當(dāng)前互斥量被其他線程鎖住，則當(dāng)前調(diào)用線程返回 false，而并不會被阻塞掉。
• 如果當(dāng)前互斥量被當(dāng)前調(diào)用線程鎖住，則會產(chǎn)生死鎖(deadlock)。

unlock

void unlock();

解鎖互斥?；コ饬勘仨殲楫?dāng)前執(zhí)行線程所鎖定(以及調(diào)用lock)，否則行為未定義。

看下面一個(gè)簡單的例子實(shí)現(xiàn)兩個(gè)線程競爭全局變量g_num對其進(jìn)行寫操作，然后打印輸出：

#include <iostream>
#include <chrono>  // std::chrono
#include <thread>  // std::thread
#include <mutex>  // std::mutex
int g_num = 0;  // 為 g_num_mutex 所保護(hù)
std::mutex g_num_mutex;
void slow_increment(int id) 
{
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        g_num_mutex.lock();
        ++g_num;
        std::cout << "th" << id << " => " << g_num << '\n';
        g_num_mutex.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }
}  
int main()
{
    std::thread t1(slow_increment, 0);
    std::thread t2(slow_increment, 1);
    t1.join();
    t2.join();
}

加了互斥量實(shí)現(xiàn)有序的寫操作并輸出：

th0 => 1
th1 => 2
th0 => 3
th1 => 4
th1 => 5
th0 => 6

如果不增加mutex包含，可能輸出就不是有序的打印1到6，如下：

• thth01 => 2 => 2
• th1 => 3
• th0 => 4
• th0 => 5
• th1 => 6

std::recursive_mutex

如上面所說的，如果使用std::mutex，如果一個(gè)線程在執(zhí)行中需要再次獲得鎖，會出現(xiàn)死鎖現(xiàn)象。要避免這種情況下就需要使用遞歸式互斥量std::recursive_mutex，它不會產(chǎn)生上述的死鎖問題，可以理解為同一個(gè)線程多次獲得鎖“僅僅增加鎖的計(jì)數(shù)”，同時(shí)，必須要確保unlock和lock的次數(shù)相同，其他線程才可能取得這個(gè)mutex。它的接口與std::mutex的完全一樣，用法也基本相同除了可重入(必須同一線程才可重入，其他線程需等待），看下面的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
class X {
    std::recursive_mutex m;
    std::string shared;
  public:
    void fun1() {
      m.lock();
      shared = "fun1";
      std::cout << "in fun1, shared variable is now " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
    void fun2() {
      m.lock();
      shared = "fun2";
      std::cout << "in fun2, shared variable is now " << shared << '\n';
      fun3(); // 遞歸鎖在此處變得有用
      std::cout << "back in fun2, shared variable is " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
    void fun3() {
      m.lock();
      shared = "fun3";
      std::cout << "in fun3, shared variable is now " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
};
int main() 
{
    X x;
    std::thread t1(&X::fun1, &x);
    std::thread t2(&X::fun2, &x);
    t1.join();
    t2.join();
}

在fun2中調(diào)用fun3，而fun3中還使用了lock和unlock，只有遞歸式互斥量才能滿足當(dāng)前情況。

輸出如下：

in fun1, shared variable is now fun1
in fun2, shared variable is now fun2
in fun3, shared variable is now fun3
back in fun2, shared variable is fun3

std::time_mutex

timed_mutex增加了帶時(shí)限的try_lock。即try_lock_for和try_lock_until。

try_lock_for嘗試鎖互斥。阻塞直到超過指定的 timeout_duration 或得到鎖，取決于何者先到來。成功獲得鎖時(shí)返回 true，否則返回false 。函數(shù)原型如下：

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );

若timeout_duration小于或等于timeout_duration.zero()，則函數(shù)表現(xiàn)同try_lock()。由于調(diào)度或資源爭議延遲，此函數(shù)可能阻塞長于timeout_duration。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono_literals;
void do_work(int id) {
  std::ostringstream stream;
  for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    if (mutex.try_lock_for(100ms)) {
      stream << "success ";
      std::this_thread::sleep_for(100ms);
      mutex.unlock();
    } else {
      stream << "failed ";
    }
    std::this_thread::sleep_for(100ms);
  }
  std::cout << "[" << id << "] " << stream.str() << std::endl;
}
int main() {
  // try_lock_for
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.emplace_back(do_work, i);
  }
  for (auto& t : threads) {
    t.join();
  }
}

[3] failed success failed 
[0] success failed success 
[2] failed failed failed 
[1] success success success 

try_lock_until也是嘗試鎖互斥。阻塞直至抵達(dá)指定的timeout_time或得到鎖，取決于何者先到來。成功獲得鎖時(shí)返回 true，否則返回false。

timeout_time與上面的timeout_duration不一樣，timeout_duration表示一段時(shí)間，比如1秒，5秒或者10分鐘，而timeout_time表示一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，比如說要等到8點(diǎn)30分或10點(diǎn)24分才超時(shí)。

使用傾向于timeout_time的時(shí)鐘，這表示時(shí)鐘調(diào)節(jié)有影響。從而阻塞的最大時(shí)長可能小于但不會大于在調(diào)用時(shí)的 timeout_time - Clock::now() ，依賴于調(diào)整的方向。由于調(diào)度或資源爭議延遲，函數(shù)亦可能阻塞長于抵達(dá)timeout_time之后。同try_lock()，允許此函數(shù)虛假地失敗并返回false，即使在 timeout_time 前的某點(diǎn)任何線程都不鎖定互斥。函數(shù)原型如下：

template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time);

看下面的例子：

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono;
void do_work() {
    mutex.lock();
    std::cout << "thread 1, sleeping..." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(4));
    mutex.unlock();
}
void do_work2() {
    auto now = std::chrono::steady_clock::now();
    if (mutex.try_lock_until(now + 5s)) {
        auto end = steady_clock::now();
        std::cout << "try_lock_until success, ";
        std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count() 
            << "ms." << std::endl;
        mutex.unlock();
    } else {
        auto end = steady_clock::now();
        std::cout << "try_lock_until failed, ";
        std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count() 
            << "ms." << std::endl;
    }
}
int main() {
  // try_lock_until
  std::thread t1(do_work);
  std::thread t2(do_work2);
  t1.join();
  t2.join();
}

獲得鎖時(shí)輸出：

thread 1, sleeping...
try_lock_until success, time use: 4000ms.

修改一下，讓其超時(shí)，輸出：

thread 1, sleeping...
try_lock_until failed, time use: 5000ms.

std::recursive_timed_mutex

以類似std::recursive_mutex的方式，recursive_timed_mutex提供排他性遞歸鎖，同線程可以重復(fù)獲得鎖。另外，recursive_timed_mutex通過try_lock_for與try_lock_until方法，提供帶時(shí)限地獲得recursive_timed_mutex鎖，類似std::time_mutex。

std::shared_mutex

c++ 17 新出的具有獨(dú)占模式和共享模式的鎖。共享模式能夠被std::shared_lock(這個(gè)后面再詳細(xì)將)占有。

std::shared_mutex 是讀寫鎖，把對共享資源的訪問者劃分成讀者和寫者，讀者只對共享資源進(jìn)行讀訪問，寫者則需要對共享資源進(jìn)行寫操作。

它提供兩種訪問權(quán)限的控制：共享性（shared）和排他性（exclusive）。通過lock/try_lock獲取排他性訪問權(quán)限(僅有一個(gè)線程能占有互斥)，通過lock_shared/try_lock_shared獲取共享性訪問權(quán)限(多個(gè)線程能共享同一互斥的所有權(quán))。這樣的設(shè)置對于區(qū)分不同線程的讀寫操作特別有用。

std::shared_mutex通常用于多個(gè)讀線程能同時(shí)訪問同一資源而不導(dǎo)致數(shù)據(jù)競爭，但只有一個(gè)寫線程能訪問的情形。比如，有多個(gè)線程調(diào)用shared_mutex.lock_shared()，多個(gè)線程都可以獲得鎖，可以同時(shí)讀共享數(shù)據(jù)，如果此時(shí)有一個(gè)寫線程調(diào)用 shared_mutex.lock()，則讀線程均會等待該寫線程調(diào)用shared_mutex.unlock()。對于C++11 沒有提供讀寫鎖，可使用 boost::shared_mutex。

std::shared_mutex新增加的三個(gè)接口：

void lock_shared();
bool try_lock_shared();
void unlock_shared();

一個(gè)簡單例子如下：

#include <iostream>
#include <mutex>  // 對于 std::unique_lock
#include <shared_mutex>
#include <thread>
class ThreadSafeCounter {
 public:
  ThreadSafeCounter() = default;
  // 多個(gè)線程/讀者能同時(shí)讀計(jì)數(shù)器的值。
  unsigned int get() const {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    return value_;
  }
  // 只有一個(gè)線程/寫者能增加/寫線程的值。
  void increment() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_++;
  }
  // 只有一個(gè)線程/寫者能重置/寫線程的值。
  void reset() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_ = 0;
  }
 private:
  mutable std::shared_mutex mutex_;
  unsigned int value_ = 0;
};
int main() {
  ThreadSafeCounter counter;
  auto increment_and_print = [&counter]() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      counter.increment();
      std::cout << std::this_thread::get_id() << ' ' << counter.get() << '\n';
      // 注意：寫入 std::cout 實(shí)際上也要由另一互斥同步。省略它以保持示例簡潔。
    }
  };
  std::thread thread1(increment_and_print);
  std::thread thread2(increment_and_print);
  thread1.join();
  thread2.join();
}
// 解釋：下列輸出在單核機(jī)器上生成。 thread1 開始時(shí)，它首次進(jìn)入循環(huán)并調(diào)用 increment() ，
// 隨后調(diào)用 get() 。然而，在它能打印返回值到 std::cout 前，調(diào)度器將 thread1 置于休眠
// 并喚醒 thread2 ，它顯然有足夠時(shí)間一次運(yùn)行全部三個(gè)循環(huán)迭代。再回到 thread1 ，它仍在首個(gè)
// 循環(huán)迭代中，它最終打印其局部的計(jì)數(shù)器副本的值，即 1 到 std::cout ，再運(yùn)行剩下二個(gè)循環(huán)。
// 多核機(jī)器上，沒有線程被置于休眠，且輸出更可能為遞增順序。

可能的輸出：

139847802500864 1
139847802500864 2
139847802500864 3
139847794108160 4
139847794108160 5
139847794108160 6

std::shared_timed_mutex

它是從C++14 才提供的限時(shí)讀寫鎖：std::shared_timed_mutex。

對比std::shared_mutex新增下面兩個(gè)接口，其實(shí)這兩個(gè)接口與上面講到的std::timed_mutex的try_lock_for和try_lock_until類似。都是限時(shí)等待鎖。只不過是增加了共享屬性。

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_shared_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );
template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_shared_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time );

總結(jié)

由于它們額外的復(fù)雜性，讀/寫鎖std::shared_mutex ， std::shared_timed_mutex優(yōu)于普通鎖std::mutex，std::timed_mutex的情況比較少見。但是理論上確實(shí)存在。

如果在頻繁但短暫的讀取操作場景，讀/寫互斥不會提高性能。它更適合于讀取操作頻繁且耗時(shí)的場景。當(dāng)讀操作只是在內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中查找時(shí)，很可能簡單的鎖會勝過讀/寫鎖。

如果讀取操作的開銷非常大，并且您可以并行處理許多操作，那么在某些時(shí)候增加讀寫比率應(yīng)該會導(dǎo)致讀取/寫入器性能優(yōu)于排他鎖的情況。斷點(diǎn)在哪里取決于實(shí)際工作量。

另請注意，在持有鎖的同時(shí)執(zhí)行耗時(shí)的操作通常是一個(gè)壞兆頭。可能有更好的方法來解決問題，然后使用讀/寫鎖。

還要注意，在使用mutex時(shí)，要時(shí)刻注意lock()與unlock()的加鎖臨界區(qū)的范圍，不能太大也不能太小，太大了會導(dǎo)致程序運(yùn)行效率低下，大小了則不能滿足我們對程序的控制。并且我們在加鎖之后要及時(shí)解鎖，否則會造成死鎖，lock()與unlock()應(yīng)該是成對出現(xiàn)。

本篇文章就到這里了，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關(guān)注腳本之家的更多內(nèi)容!     

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