C++11有关线程同步的使用

怼烎@ 2022-06-11 09:57 315阅读 0赞

互斥量和条件变量是控制线程同步的常用手段，用来保护多线程同时访问的共享数据。  
c++11提供了这些操作，同时还提供了原子变量和一次调用的操作，用起来非常的方便。  
我们在这里只介绍如何在C++中使用这些同步机制，有关概念的介绍我们就不在这里多说了。

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### **互斥量** ###

C++11中提供了如下4种语义的互斥量(mutex):

*  std::mutex：独占的互斥量，不能递归使用。
 *  std::timed\_mutex：带超时的独占互斥量，不能递归使用。
 *  std::recursive\_mutex：递归互斥量，不带超时功能。
 *  std::recursive\_timed\_mutex：带超时的递归互斥量。

#### **独占互斥量std::mutex** ####

这些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。  
std::mutex的基本用法代码如下：

#include<iostream>
    #include<thread>
    #include<mutex>
    #include<chrono>
    using namespace std;
    
    
    std::mutex g_lock;
    
    void func()
    {
        g_lock.lock();
    
        std::cout<<"entered thread "<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        std::cout<<"leaving thread "<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
    
        g_lock.unlock();
    }  
    
    int main()
    {
        std::thread t1(func);
        std::thread t2(func);
        std::thread t3(func);
    
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
    
        return 0;
    }

使用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，从而保证了互斥量的正确操作，避免忘记unlock操作，因此，应尽量用lokc\_guard。lock\_guard用到了RAII技术，这种技术在类的构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源，保证资源在出了作用域之后就释放。上面的例子使用lock\_guard后会更简洁，代码如下：

void func()
    {
        lock_guard<std::mutex> locker(g_lock);   //出作用域之后自动解锁
        cout<<"entered thread "<<this_thread::get_id()<<endl;
        this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        cout<<"leaving thread "<<std::this_thread::get_id()<<endl;
    }

#### **递归的独占互斥量std::recursive\_mutex** ####

递归锁允许同一线程多次获得该互斥锁，可以用来解决同一线程需要多次获取互斥量时死锁的问题。一个线程多次获取同一个互斥量时会发生死锁。要解决这个死锁的问题，一个简单的办法就是用递归锁：std::recursive\_mutex，它允许同一线程多次获得互斥量。  
代码示例：

#include<iostream>
    #include<thread>
    #include<mutex>
    using namespace std;
    
    
    struct Complex
    {
        std::recursive_mutex mutex;
        int i;
    
        Complex():i(0){}
    
        void mul(int x)
        {
            std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
            i*=x;
        }
        void div(int x)
        {
            std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
            i/=x;
    
        }
        void both(int x,int y)
        {
            std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
            mul(x);
            div(y);
        }
    };
    
    int main()
    {
        Complex complex;
        complex.both(32,23);  //因为同一线程可以多次获取同一互斥量，不会发生死锁
    
        return 0;
    }

需要注意的是尽量不要使用递归锁好，主要原因如下：

*  需要用到递归锁定的多线程互斥处理往往本身就是可以简化的，允许递归互斥很容易放纵复杂逻辑产生，从而导致一些多线程同步引起的晦涩问题。
 *  递归锁比起非递归锁，效率会低一些。
 *  递归锁虽然允许同一个线程多次获得同一互斥量，可重复获得的最大次数并未具体说明，一旦超过一定次数，再对lock进行调用就会抛出std::system错误。

#### **带超时的互斥量** ####

std::timed\_mutex是超时的独占锁，std::recursive\_timed\_mutex是超时的递归锁，主要用在获取锁时超时等待功能，因为有时不知道获取锁需要多久，为了不至于一直在等待获取互斥量，就设置一个等待超时时间，在超时后还可以做其他事情。  
std::timed\_mutex比std::mutex多了两个超时获取锁的接口：try\_lock\_for和try\_lock\_until，这两个接口是用来设置获取互斥量的超时时间。  
std::timed\_mutex的基本用法如下代码：

#include<iostream>
    #include<thread>
    #include<mutex>
    using namespace std;
    
    std::timed_mutex mutex1;
    
    void work()
    {
        chrono::milliseconds timeout(100);
    
        while(true)
        {
            if(mutex1.try_lock_for(timeout))
            {
                cout<<this_thread::get_id()<<":do work with the mutex"<<endl;
                chrono::milliseconds sleepDuration(250);
                this_thread::sleep_for(sleepDuration);
    
                mutex1.unlock();
                this_thread::sleep_for(sleepDuration);
    
            }
            else
            {
                cout<<this_thread::get_id()<<": do work without mutex"<<endl;
    
                chrono::milliseconds sleepDuration(100);
                this_thread::sleep_for(sleepDuration);
            }
        }
    }
    
    
    int main()
    {
        thread t1(work);
        thread t2(work);
    
        t1.join();
        t2.join();
    
        return 0;
    }

在上面的例子中，通过一个while循环不断地去获取超时锁，如果超时还没有获取到锁时就休眠100毫秒，再继续获取超时锁。  
相比std::timed\_mutex，std::recursive\_timed\_mutex多了递归锁的功能，允许同一线程多次获得互斥量。

### **条件变量** ###

条件变量是C++11提供的另外一种用于等待的同步机制，它能阻塞一个或多个线程，直到收到另外一个线程发出的通知或者超时，才会唤醒当前阻塞的线程。条件变量需要和互斥量配合起来用。C++11提供了两种条件变量：

*  condition\_variable，配合std::unique\_lock<std::mutex>进行wait操作。
 *  condition\_variable\_any，和任意带有lock、unlock语义的mutex搭配使用，比较灵活，但效率比condition\_variable差一些。

可以看到condition\_variable\_any比condition\_variable更灵活，因为它更通用，对所有的锁都适用，而condition\_variable性能更好。

条件变量的使用过程如下：

*  拥有条件变量的线程获取互斥量。
 *  循环检查某个条件，如果条件不满足，则阻塞直到条件满足；如果条件满足，则向下执行。
 *  某个线程满足条件执行完之后调用notify\_one或notify\_all唤醒一个或者所有的等待线程。

我们可以看一个经典的生产者-消费者的例子：

#include<iostream>
    #include<thread>
    #include<mutex>
    #include<condition_variable>
    #include<unistd.h>
    using namespace std;
    
    
    mutex m_mutex;   //互斥量
    int s=0;         //共享资源
    condition_variable m_notempty;   //条件变量
    
    void producer()     //生产者
    {
        while(1)
        {
            sleep(1);
            m_mutex.lock();  //上锁
            s++;
            cout<<"increase one ,s="<<s<<endl;
            m_mutex.unlock();
            m_notempty.notify_one();
        }
    }
    
    
    void consumer()     //消费者
    {
        while(1)
        { 
            sleep(1);
            unique_lock<mutex> locker(m_mutex);  
            while(s==0)
            m_notempty.wait(locker);      //使用条件变量
            s--;
            cout<<"decrease one,s="<<s<<endl;
    
    
        }
    }
    int main()
    {
        //创建线程
        thread thread1(producer);
        thread thread2(consumer);
    
    
        thread1.join();
        thread2.join();
    }

上面的例子中，`while(s==0) m_notempty.wait(locker);` ，这句代码的意思的是当s等于0的时候，阻塞直到条件满足时被唤醒。  
我们也可以这么用， `m_notempty.wait(locker,[]{return s>0;});` ，将判断条件放到函数里面，意思是wait将一直阻塞，知道判断条件满足时，被唤醒。

### **原子变量** ###

C++11提供了一个原子类型std::atomic<T>，可以使用任意类型作为模板参数，C++11内置了整型的原子变量，可以更方便地使用原子变量，使用原子变量就不需要使用互斥量来保护该变量了，因为对该变量的操作保证其是原子的，是不可中断的。用起来更简洁。  
要做一个计时器，使用mutex时，代码如下：

#include<iostream>
    #include<mutex>
    using namespace std;
    
    
    
    struct Counter
    {
        public:
        int value;
        std::mutex m_mutex;
    
        void increment()
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            value++;
        }
    
        void decrement()
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
            value--;
        }
    
        int get()
        {
            return value;
        }
    };

如果使用原子变量，就不需要再定义互斥量了，使用更简便。

#include<iostream>
    #include<mutex>
    using namespace std;
    
    
    
    struct Counter
    {
        public:
    
        std::atomic<int> value;
    
        void increment()
        {
            value++;
        }
    
        void decrement()
        {
            value--;
        }
    
        int get()
        {
            return value;
        }
    };

### **call\_one/once\_flag的使用** ###

为了保证在多线程环境中某个函数仅被调用一次，比如，需要初始化某个对象，而这个对象只能初始化一次时，就可以用std::call\_once来保证函数在多线程环境中只被调用一次。使用std::call\_once时，需要一个once\_flag作为call\_one的入参，它的用法比较简单。

#include<iostream>
    #include<thread>
    #include<mutex>
    using namespace std;
    
    
    std::once_flag flag;
    
    void do_once()
    {
        std::call_once(flag,[]{
       std::cout<<"Called once"<<endl;});
    }
    
    
    int main()
    {
        std::thread t1(do_once);
        std::thread t2(do_once);
        std::thread t3(do_once);
    
        t1.join();
        t2.join();
        t3.join();
    }

运行结果：

> Called once