目錄
前言
一、基本鎖
1. 互斥鎖（mutex）
2. 定時(shí)互斥鎖（timed_mutex）
3. 條件變量 （condition_variable）
4. 讀寫鎖 （shared_mutex）
5. 遞歸鎖（recursive_mutex）
6. 自旋鎖 （spinlock）
二、RAII鎖
1. lock_guard
2. unique_lock
3. shared_lock
三、信號(hào)量
總結(jié)
前言
多線程編程一個(gè)重要的問(wèn)題就是數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)，多個(gè)線程同時(shí)獲取一份數(shù)據(jù)的使用權(quán)，如果不加以控制，必然會(huì)導(dǎo)致程序的崩潰。
鎖（mutex），就是用來(lái)調(diào)度各線程使用共享數(shù)據(jù)的中介。鎖有已鎖和未鎖兩個(gè)狀態(tài)，處于未鎖狀態(tài)的鎖，線程可以將它鎖上，此時(shí)只能由該線程訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)；如果鎖處于已鎖狀態(tài)，則需要等待別的線程解鎖之后，才能上鎖并使用數(shù)據(jù)，這樣就避免了多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一份數(shù)據(jù)。如果不好理解，可以類比以下廁所的一個(gè)坑位。。。
本篇文章主要對(duì)C++現(xiàn)有的鎖進(jìn)行介紹，由于鎖的種類繁多，而且相關(guān)文章已經(jīng)非常多了，本文不再細(xì)講各種鎖的技術(shù)細(xì)節(jié)，而是更注重于各種鎖的由來(lái)，以及他們針對(duì)的問(wèn)題，如此便能針對(duì)自己面臨的問(wèn)題，選擇合適的鎖。
今天是2023年4月21號(hào)，目前我使用的是C++20，因此在這篇文章，我們記錄C++20中各類的鎖。主要包括基本鎖和RAII鎖，基本鎖包括互斥鎖 (mutex)，定時(shí)互斥鎖 (timed_mutex)，條件變量 (condition_variable)，讀寫鎖 (shared_mutex)，遞歸鎖 (recursive_mutex)，自旋鎖 (spinlock)。RAII鎖是基本基本鎖實(shí)現(xiàn)的更加智能的鎖。
一、基本鎖
1. 互斥鎖（mutex）
| 起始版本 | C++11 |
| 頭文件 | <mutex> |
| 接口 |
鎖定互斥鎖，若另一線程已鎖定互斥鎖，則到 |
|
嘗試鎖定互斥鎖，成功上鎖返回 | |
|
解鎖互斥鎖。 |
?描述：互斥鎖是最基本、簡(jiǎn)單的鎖，只有三個(gè)接口，lock()上鎖，unlock()解鎖，try_lock()嘗試上鎖。lock()只會(huì)進(jìn)行一次上鎖操作，如果失敗了（其他線程正在占用），就會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)并阻塞線程，等到互斥鎖解鎖之后，系統(tǒng)會(huì)將其喚醒并進(jìn)行上鎖操作（當(dāng)然，這時(shí)候也不一定能成功）。try_lock()上鎖失敗會(huì)返回false，并繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼。
針對(duì)問(wèn)題：為了初步解決多線程之間數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。
使用場(chǎng)景：由于是最基本的鎖，在一些復(fù)雜場(chǎng)景中難以滿足需求，因此多用于一些不算復(fù)雜的情況。
2. 定時(shí)互斥鎖（timed_mutex）
| 起始版本 | C++11 |
| 頭文件 | <mutex> |
| 接口 |
鎖定互斥鎖，若另一線程已鎖定互斥鎖，則到 |
|
嘗試鎖定互斥鎖，成功上鎖返回true，若另一線程已鎖定互斥鎖，則返回false，不會(huì)阻塞 | |
|
解鎖互斥鎖。 | |
| template< class Rep, class Period > 嘗試加鎖，如果鎖被占用，阻塞最久 | |
| template< class Clock, class Duration > 嘗試獲取互斥鎖。阻塞直至抵達(dá)指定的 |
?描述：相對(duì)于mutex而言，timed_mutex增加了try_lock_for和try_lock_until兩個(gè)接口，前者在嘗試獲取鎖失敗時(shí)會(huì)等待指定時(shí)間，在此期間會(huì)不斷嘗試獲取鎖；后者會(huì)獲取鎖失敗時(shí)會(huì)等待至指定時(shí)刻。如果忽視這兩個(gè)接口，那么timed_mutex與mutex無(wú)異。
針對(duì)問(wèn)題：為了緩解mutex不夠靈活的問(wèn)題，增加了可選的等待時(shí)延。
3. 條件變量 （condition_variable）
| 起始版本 | C++11 |
| 頭文件 | <condition_variable> |
| 接口 |
等待并阻塞線程，直到別的線程進(jìn)行通知，wait( )會(huì)釋放lock。 |
| template< class Predicate > pred是一個(gè)lambda函數(shù)，返回值為bool，此時(shí)的wait等價(jià)于 while (!pred()) {
wait(lock);
} | |
|
最多等待 | |
|
最多等待至 | |
|
通知一個(gè)正在 | |
|
通知所有正在 |
描述：條件變量的作用是用于多線程之間的線程同步。線程同步是指線程間需要按照預(yù)定的先后順序進(jìn)行的行為，比如我想要線程1完成了某個(gè)步驟之后，才允許線程2開(kāi)始工作，這個(gè)時(shí)候就可以使用條件變量來(lái)達(dá)到目的。具體操作就可以是，線程2調(diào)用wait函數(shù)進(jìn)行等待，線程1調(diào)用notify函數(shù)進(jìn)行通知，這樣就能保證線程1和線程2的順序。
針對(duì)問(wèn)題：上邊說(shuō)的線程同步問(wèn)題，用互斥鎖mutex也能實(shí)現(xiàn)，但是并不優(yōu)美。這里我引用別人的一個(gè)解釋：
以一個(gè)生產(chǎn)者消費(fèi)者的例子來(lái)看，生產(chǎn)者和消費(fèi)者通過(guò)一個(gè)隊(duì)列連接，因?yàn)殛?duì)列屬于共享變量，所以在訪問(wèn)隊(duì)列時(shí)需要加鎖。生產(chǎn)者向隊(duì)列中放入消息的時(shí)間是不一定的，因?yàn)橄M(fèi)者不知道隊(duì)列什么時(shí)候有消息，所以只能不停循環(huán)判斷或者sleep一段時(shí)間，不停循環(huán)會(huì)浪費(fèi)cpu資源，如果sleep那么要sleep多久，sleep太短又會(huì)浪費(fèi)資源，sleep太長(zhǎng)又會(huì)導(dǎo)致消息消費(fèi)不及時(shí)。
應(yīng)用場(chǎng)景：多用于生產(chǎn)消費(fèi)隊(duì)列中。
相關(guān)文章：
?C++11條件變量condition_variable詳解
為什么互斥鎖和條件變量要一起使用
4. 讀寫鎖 （shared_mutex）
| 起始版本 | C++17 |
| 頭文件 | <shared_mutex> |
| 接口 |
排他式鎖定互斥。若另一線程已鎖定互斥，則到 |
|
嘗試排他式鎖定互斥。立即返回，成功獲得鎖時(shí)返回 | |
|
解鎖排他式互斥。 | |
|
以共享式鎖定互斥。如果另一線程以排他式鎖定互斥，則會(huì)阻塞，直到獲得鎖；如果另一線程或者多個(gè)線程以共享式鎖定了互斥，則調(diào)用者同樣會(huì)獲得鎖。 | |
|
嘗試共享式鎖定互斥。立即返回，成功獲得鎖時(shí)返回 | |
|
解鎖共享互斥。 |
描述：shared_mutex有兩種上鎖方式，一種是排他式，另一種是共享式。排他式上鎖同一時(shí)間只允許一個(gè)線程擁有鎖，共享式上鎖允許多個(gè)線程擁有鎖。
針對(duì)問(wèn)題：對(duì)于一個(gè)線程寫，多個(gè)線程讀的場(chǎng)景，mutex的效率很低。因?yàn)椴粌H讀與寫之間要加鎖，讀與讀之間也要加鎖，但是讀與讀之間的加鎖是不必要的，畢竟它不會(huì)改變數(shù)據(jù)，于是就產(chǎn)生了可以同時(shí)讀的需求。
適用場(chǎng)景：有多個(gè)讀線程存在的時(shí)候，可以考慮讀寫鎖。
相關(guān)文章：
C++多線程——讀寫鎖shared_lock/shared_mutex
5. 遞歸鎖（recursive_mutex）
| 起始版本 | C++11 |
| 頭文件 | <mutex> |
| 接口 |
鎖定互斥。若另一線程已鎖定互斥，則到 |
|
嘗試鎖定互斥。立即返回。成功獲得鎖時(shí)返回 | |
|
解鎖互斥。要與 |
描述：recursive_mutex 與 mutex 唯一的區(qū)別就在于它可以在同一個(gè)線程里多次加鎖。
針對(duì)問(wèn)題：想象這樣一個(gè)場(chǎng)景，函數(shù)A調(diào)用了函數(shù)B，而且函數(shù)A和B都訪問(wèn)了一份共享數(shù)據(jù)，這樣就可能造成死鎖。
適用場(chǎng)景：共享數(shù)據(jù)存在遞歸調(diào)用的時(shí)候。
相關(guān)文章：
遞歸鎖recursive_mutex的原理以及使用
6. 自旋鎖 （spinlock）
C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)目前沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自旋鎖。
描述：自旋鎖與互斥鎖（mutex）的區(qū)別在于，mutex調(diào)用lock之后，會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等到鎖可用了，再由cpu喚醒，再次獲取鎖；而自旋鎖不會(huì)進(jìn)去睡眠狀態(tài)，會(huì)一直嘗試獲取鎖。這種一直嘗試獲取鎖的行為很耗cpu資源，所以要用在合適的場(chǎng)景。
用mutex就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的自旋鎖：
while(!mutex.try_lock()){}針對(duì)問(wèn)題：考慮這樣一種情況，如果線程對(duì)共享資源占用時(shí)間非常短，也就是說(shuō)mutex.lock()等待的時(shí)間非常短，那么CPU將線程掛起再喚醒所耗費(fèi)的資源可能要大于一直嘗試加鎖。
適用場(chǎng)景：每個(gè)線程對(duì)共享資源占用時(shí)間非常短的情況。
相關(guān)文章：
c++之理解自旋鎖
二、RAII鎖
首先，什么是RAII？
RAII全稱是Resource Acquisition Is Initialization，翻譯過(guò)來(lái)是資源獲取即初始化，RAII機(jī)制用于管理資源的申請(qǐng)和釋放。對(duì)于資源，我們通常經(jīng)歷三個(gè)過(guò)程，申請(qǐng)，使用，釋放，這里的資源不僅僅是內(nèi)存，也可以是文件、socket、鎖等等。但是我們往往只關(guān)注資源的申請(qǐng)和使用，而忘了釋放，這不僅會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，可能還會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)邏輯的錯(cuò)誤。c++之父給出了解決問(wèn)題的方案：RAII，它充分的利用了C++語(yǔ)言局部對(duì)象自動(dòng)銷毀的特性來(lái)控制資源的生命周期。
簡(jiǎn)而言之就是，將資源（內(nèi)存、socket、鎖等等）與一個(gè)局部變量綁定，這樣就可以避免我們忘記釋放資源，智能指針也是這樣的思想。
RAII鎖本質(zhì)上都是模板類，模板類型是這種鎖，也可以理解為對(duì)鎖的進(jìn)一步封裝。
1. lock_guard
| 起始版本 | C++11 |
| 頭文件 | <mutex> |
| 原型 | template< class Mutex > |
| 構(gòu)造函數(shù) | explicit lock_guard( mutex_type& m ); 等于調(diào)用 m.lock() 。 |
| 析構(gòu)函數(shù) | ~lock_guard(); 等效地調(diào)用 m.unlock() |
?描述：lock_guard的構(gòu)造函數(shù)需要傳入一個(gè)鎖，我們稱這個(gè)鎖為關(guān)聯(lián)鎖，然后在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部進(jìn)行加鎖，在析構(gòu)函數(shù)中進(jìn)行解鎖。
針對(duì)問(wèn)題：針對(duì)用戶可能忘記解鎖的問(wèn)題。
適用場(chǎng)景：建議用RAII鎖替換一般的鎖，這樣更加安全。
相關(guān)文章：
?? 走進(jìn)C++11? RAII風(fēng)格鎖std::lock_guard/std::unique_lock
2. unique_lock
| 起始版本 | C++11 |
| 頭文件 | <mutex> |
| 構(gòu)造函數(shù) | unique_lock的構(gòu)造函數(shù)比較多，包含了默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)，帶鎖構(gòu)造函數(shù)，甚至還可以選擇加鎖的方式，我列幾個(gè)： unique_lock() noexcept;???? 默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，沒(méi)法直接加鎖，需要先調(diào)用=或者swap； explicit unique_lock( mutex_type& m );?? 帶鎖的構(gòu)造函數(shù)，會(huì)調(diào)用m.lock()； unique_lock( mutex_type& m, std::defer_lock_t t ) ;? 只與鎖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不執(zhí)行上鎖；? unique_lock( mutex_type& m, std::try_to_lock_t t );? 相當(dāng)于調(diào)用m.try_lock()； .........更多 |
| 析構(gòu)函數(shù) | ~unique_lock(); 若當(dāng)前線程擁有關(guān)聯(lián)互斥且獲得了其所有權(quán)，則解鎖互斥。 |
| 上鎖 | void lock();??? 等同于m.lock()，m是與unique_lock關(guān)聯(lián)的鎖； bool try_lock();?? 等同于m.try_lock()； bool try_lock_for(time);? 等同于m.try_lock_for(time)； bool try_lock_until(time); 等同于m.bool try_lock_until()； void unlock();??? 解鎖 |
| 修改unique_lock | void swap( unique_lock& other ) noexcept;???? 與另一 std::unique_lock 交換狀態(tài) mutex_type* release() noexcept;????? 將關(guān)聯(lián)互斥解關(guān)聯(lián)而不解鎖它 |
| 其他 | mutex_type* mutex() const noexcept;?? 返回指向關(guān)聯(lián)互斥的指針，或若無(wú)關(guān)聯(lián)鎖則null bool owns_lock() const noexcept;? 檢查當(dāng)前線程是否占有關(guān)聯(lián)鎖。 |
描述：unique_lock是lock_guard的加強(qiáng)版，首先在構(gòu)造函數(shù)中可以選擇是否與鎖關(guān)聯(lián)，以及對(duì)鎖的操作類型；其次它還可以像鎖一樣調(diào)用lock()，try_lock()，unlock()等函數(shù)，這使得unique_lock更加靈活；最后它增加了swap，release，owns_lock這些非常實(shí)用的接口。
針對(duì)問(wèn)題：lock_guard的問(wèn)題在于不夠靈活，這個(gè)不夠靈活首先體現(xiàn)在不能自由的釋放鎖，必須等到跳出作用域的時(shí)候調(diào)用析構(gòu)函數(shù)才能解鎖；再有就是lock_guard只提供了構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，沒(méi)有任何功能接口。
適用場(chǎng)景：建議用unique_lock替換lock_guard；
相關(guān)文章：
?? 走進(jìn)C++11 RAII風(fēng)格鎖std::lock_guard/std::unique_lock
3. shared_lock
| 起始版本 | C++14 |
| 頭文件 | <shared_mutex> |
| 構(gòu)造函數(shù) |
shared_mutex() noexcept;???? 默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，沒(méi)法直接加鎖，需要先調(diào)用=或者swap； explicit shared_mutex( mutex_type& m );?? 帶鎖的構(gòu)造函數(shù)，會(huì)調(diào)用m.lock()； shared_mutex( mutex_type& m, shared_mutex( mutex_type& m, std::try_to_lock_t t );? 相當(dāng)于調(diào)用m.try_lock()； .........更多 |
| 析構(gòu)函數(shù) | ~shared_mutex(); 若當(dāng)前線程擁有關(guān)聯(lián)互斥且獲得了其所有權(quán)，則解鎖互斥。 |
| 上鎖 | void lock();??? 等同于m.lock_shared()，m是與unique_lock關(guān)聯(lián)的鎖； bool try_lock();?? 等同于m.try_lock_shared()； bool try_lock_for(time);? 等同于m.try_lock_shared_for(time)； bool try_lock_until(time); 等同于m.bool try_lock_shared_until()； void unlock();???解鎖互斥， 等同于m.unlock_shared() |
| 修改shared_mutex | void swap( shared_mutex& other ) noexcept;???? 與另一 std::shared_mutex 交換狀態(tài) mutex_type* release() noexcept;????? 將關(guān)聯(lián)互斥解關(guān)聯(lián)而不解鎖它 |
| 其他 | mutex_type* mutex() const noexcept;?? 返回指向關(guān)聯(lián)互斥的指針，或若無(wú)關(guān)聯(lián)鎖則null bool owns_lock() const noexcept;? 檢查當(dāng)前線程是否占有關(guān)聯(lián)鎖。 |
描述：上邊這個(gè)表可以看出來(lái)，shared_lock與unique_lock的接口一模一樣，他們唯一的區(qū)別在于，unique_lock是以排他式上鎖，同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程獲取鎖；而shared_mutex是以共享式上鎖，允許多個(gè)線程同時(shí)獲得鎖。此外，shared_mutex只能與shared_mutex關(guān)聯(lián)，因?yàn)閯e的鎖壓根沒(méi)有l(wèi)ock_shared接口。
針對(duì)問(wèn)題：shared_mutex算是對(duì)unique_lock的補(bǔ)充，因?yàn)閡nique_lock在存在多個(gè)只讀線程的情況時(shí)，會(huì)有較大的性能損失，因?yàn)橹蛔x線程之間加鎖是不必要的。
適用場(chǎng)景：與shared_mutex一樣。
相關(guān)文章：
C++多線程——讀寫鎖shared_lock/shared_mutex
三、信號(hào)量
描述：
信號(hào)量 (semaphore) 是一種輕量的同步原件，主要用處是控制對(duì)共享資源的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)，說(shuō)白點(diǎn)就是控制同一時(shí)間訪問(wèn)某一資源的線程數(shù)。比如網(wǎng)吧，就那么多位置，滿了網(wǎng)管就不會(huì)給你開(kāi)機(jī)子，必須等有人下機(jī)才能上機(jī)，這里的網(wǎng)吧就是共享資源，他有并發(fā)數(shù)量限制，網(wǎng)管就類似信號(hào)量的功能，限制網(wǎng)吧的同時(shí)訪問(wèn)數(shù)量。
信號(hào)量不是C++語(yǔ)言特有的概念，而是計(jì)算機(jī)學(xué)的概念，C++在C++20里才在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里對(duì)其進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。
信號(hào)量?jī)?nèi)部會(huì)維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有線程訪問(wèn)資源，就將計(jì)數(shù)器減1；當(dāng)有線程結(jié)束訪問(wèn)，就將計(jì)數(shù)器加1。如果計(jì)數(shù)器不大于0，那么新的訪問(wèn)請(qǐng)求就需要等待。
C++20提供了兩種信號(hào)量，std::counting_semaphore和std::binary_semaphore，由于binary_semaphore是counting_semaphore的特例，因此這里主要介紹counting_semaphore。
| 起始版本 | C++20 |
| 頭文件 | <semaphore> |
| 構(gòu)造函數(shù) | constexpr explicit counting_semaphore( std::ptrdiff_t desired ); 創(chuàng)建一個(gè)計(jì)數(shù)器的值為 |
| 接口 | void acquire(); 若內(nèi)部計(jì)數(shù)器大于 ?0? 則嘗試將它減少 1 ，否則阻塞直至它大于 ?0? 。 在線程請(qǐng)求訪問(wèn)共享資源的時(shí)候調(diào)用。 |
| void release( std::ptrdiff_t update = 1 ); 將內(nèi)部計(jì)數(shù)器的值增加 | |
| bool try_acquire() noexcept; 嘗試將內(nèi)部計(jì)數(shù)器減少 1 ，成功返回true，失敗返回false，不會(huì)阻塞線程。 | |
| template<class Rep, class Period> 嘗試將計(jì)數(shù)器減1，如果失敗則阻塞time時(shí)長(zhǎng) | |
| template<class Clock, class Duration> 嘗試將計(jì)數(shù)器減1，如果失敗則阻塞至abs_time時(shí)刻 | |
| constexpr std::ptrdiff_t max() noexcept; 返回最大并發(fā)數(shù) |
針對(duì)問(wèn)題：對(duì)于多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)某個(gè)資源，shared_mutex是可以做到的，但是它不能控制并發(fā)的訪問(wèn)數(shù)量，而實(shí)際中很多計(jì)算機(jī)資源都存在并發(fā)限制，所以我們需要控制對(duì)這類資源的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量。
適用場(chǎng)景：適用于需要控制對(duì)資源的并發(fā)訪問(wèn)數(shù)量，比如線程池中控制線程數(shù)量，限制網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)等等。文章來(lái)源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-617197.html
總結(jié)
C++20還增加了閂 (latch) 與屏障 (barrier)，暫時(shí)不寫了，下次再寫。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-617197.html
到了這里，關(guān)于C++ 多線程編程(二) 各種各樣的鎖的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
