C++(12): std::mutex及其高级变种的使用

1. 简述

在多线程或其他许多场景下，同时对一个变量或一段资源进行读写操作是一个比较常见的过程，保证数据的一致性和防止竞态条件至关重要。

C++的标准库中为我们提供了使用的互斥及锁对象，帮助我们实现资源的互斥操作。

2. std::mutex及其衍生互斥手段

（1）互斥类

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。

（2）RAII上锁

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。

（3）API

std::try_lock，尝试上锁。如果当前互斥量已经被其他线程占用，当前线程不会阻塞，而是立即返回false。如果当前互斥量没有被其他线程占用，当前线程会获得该互斥量，完成上锁。需要注意的是，如果当前线程已经获得了该互斥量，那么再次进行try_lock就会造成死锁。

std::lock，上锁。调用该API会将互斥两上锁，如果当前互斥量已经被其他线程占用，则会阻塞，知道当前线程获得该锁。

std::unlock：解锁。

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。

3. std::mutex使用

        std::mutex是最简单的互斥量，可以单独使用为资源创建互斥环境，也可以与std::lock_guard合起来使用，实现一个RAII的应用。

        需要注意的是，std::mutex仅支持一次加锁和解锁。如下是一个简单地小程序。

/** 引用头文件. */#include <mutex>/** 创建互斥量. */std::mutex mtx;/** 需要共享的某个资源 */int sharedResource;/** 操作上述共享资源的函数 */void accessResource() {/** 尝试加锁 */mtx.lock();/** 临界区开始 - 访问共享资源 */sharedResource += 1;/** 临界区结束 - 释放锁 */mtx.unlock();}

        接下来是一个配合lock_guard使用的例程。

/** 引用头文件. */#include <mutex>/** 创建互斥量. */std::mutex mtx;/** 需要共享的某个资源 */int sharedResource;/** 操作上述共享资源的函数 */void accessResource() {/** 尝试加锁 */std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx); // 自动加锁/** 临界区开始 - 访问共享资源 */sharedResource += 1;/** 退出函数，自动释放. */}

4. std::recursive_mutex递归锁

        从名字可以看出，递归所是可以多次上锁的，当然也需要配合多次解锁，通常情况下也仅用在递归环境下。

        如下是简单的使用std::recursive_mutex的示例。

#include <iostream>#include <thread>#include <mutex>std::recursive_mutex mtx;void func(int n) {mtx.lock();std::cout << "Thread " << n << " locked the mutex" << std::endl;if (n > 1) {func(n - 1);}std::cout << "Thread " << n << " unlocked the mutex" << std::endl;mtx.unlock();}int main() {std::thread t1(func, 3);std::thread t2(func, 2);t1.join();t2.join();return 0;}

        如下是配合lock_guard使用的示例。

#include <iostream>#include <thread>#include <mutex>std::recursive_mutex mtx;void func(int n) {std::lock_guard<std::recursive_mutex> guard(mtx);std::cout << "Thread " << n << " locked the mutex" << std::endl;if (n > 1) {func(n - 1);}std::cout << "Thread " << n << " unlocked the mutex" << std::endl;}int main() {std::thread t1(func, 3);std::thread t2(func, 2);t1.join();t2.join();return 0;}

5. std::timed_mutex

        std::timed_mutex 类似于 std::mutex，也是一个较为简单的锁。但是它额外提供了两个接口分别是 try_lock_for() 和 try_lock_until() 成员函数。前者允许线程尝试在一段时间内获取锁，如果在指定的时间内未能获得锁，线程将返回失败，并且可以根据返回值来判断是否继续等待或者执行其他逻辑。后者是一个确定的时间点，当到达指定的时间点以后，互斥锁不能够使用，则返回。

        使用 std::timed_mutex 可以帮助避免线程因为获取锁时长时间阻塞而导致程序性能下降或死锁情况的发生。

6. std::lock_guard和std::unique_lock

        std::lock_guard 和 std::unique_lock 都是 C++ 标准库中用于管理互斥量（mutex）的 RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）包装器。它们都可以确保在持有互斥量的作用域内，互斥量会被安全地锁定和解锁，从而避免死锁和其他并发问题。不过，std::unique_lock 比 std::lock_guard 提供了更多的灵活性和功能。下面是它们的一些主要区别以及使用示例。

        我们在前面第3节和第4节都列举了使用lock_guard的使用，lock_guard的优点是使用简单，缺点是过于简单了。

        unique_lock能够实现和lock_guard一样的动能，也提供了更灵活的上锁和解锁控制。

        unique_lock含有第二参数，如下所示：

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std::adopt_lock ：表示这个互斥量已经被lock了，你必须要把互斥量提前lock了，否则会报异常。std::adopt_lock标记的效果就是假设调用一方已经拥有了互斥量的所有权（也就是已经lock成功了），通知lock_guard和unique_lock不需要 再构造函数中lock这个互斥量了。

std::try_to_lock：我们会尝试用mutex的lock()去锁定这个mutex，但是如果没有锁定成功，也会立即返回，并不会阻塞在那里；使用这个try_to_lock的前提是你自己不能先lock。

std::defer_lock:不给mutex加锁，初始化了一个没有加锁的mutex。

前面讲到，unique_lock比lock_guard更为灵活，体现在哪里呢？事实上，unique_lock还拥有自己的成员函数，我们可以灵活的调用它的成员函数进行加解锁，而不是依赖于RAII。

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        unique_lock的成员函数如下。

lock：调用所管理的mutex对象的lock函数；

try_lock：调用所管理的mutex对象的try_lock函数；

try_lock_for：调用所管理的mutex对象的try_lock_for函数

try_lock_until：调用所管理的mutex对象的try_lock_until函数；

unlock：调用所管理的mutex对象的unlock函数；

release ：返回所管理的mutex对象的指针，并释放所有权，但不改变mutex对象的状态；

owns_lock：返回当前std::unique_lock对象是否获得了锁；

mutex：返回当前std::unique_lock对象所管理的mutex对象的指针；

swap：交换两个unique_lock对象；