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：

#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。