C++——多线程编程（二）std::mutex 线程同步、解决资源竞争问题

前言

线程同步

这里的“同”不是同时、一起执行的意思，而是指协同、协助、互相配合。线程同步是指多个线程协同步调，按预定的先后次序进行运行。

线程A和B一块配合，A执行到一定程度时要依靠B的某个结果，于是停下来，示意B运行；B依言执行，再将结果给A；A再继续操作。

所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回，同时其它线程也不能调用这个方法。

定义：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程又处于等待状态。

目前实现线程同步的方法有很多：

1、临界区（Critical Section）：通过对多线程的串行化来访问公共资源或一段代码，速度快，适合控制数据访问。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问，如果有多个线程试图访问公共资源，那么在有一个线程进入后，其他试图访问公共资源的线程将被挂起，并一直等到进入临界区的线程离开，临界区在被释放后，其他线程才可以抢占。

2、互斥量（Mutex）：采用互斥对象机制。 只有拥有互斥对象的线程才有访问公共资源的权限，因为互斥对象只有一个，所以能保证公共资源不会同时被多个线程访问。互斥不仅能实现同一应用程序的公共资源安全共享，还能实现不同应用程序的公共资源安全共享

3、信号量（Semaphore）：它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目

4、事件（Event）：通过通知操作的方式来保持线程的同步，还可以方便实现对多个线程的优先级比较的操作

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下面我们来详细介绍一下C++中的线程同步方式。
参考：http://www.cnblogs.com/haippy/p/3237213.html

（一）< mutex>头文件

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 < mutex> 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 < mutex> 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。

（二）Mutex 系列类

1 std::mutex

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。

1.1 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：
   （1）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。
   （2）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。
   （3）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。
   线程调用该函数会出现线面 3 种情况：
   （1）如果当前互斥量没有被锁住免责调用线程将该互斥量锁住，知道调用unlock之前，该线程一直拥有该锁。
   （2）如果当前互斥量已经被其他线程锁住了，则当前调用线程返回 false ，而并不会被阻塞。
   （3）如果当前互斥量被当前调用线程锁住，会产生死锁（deadlock）。

例子

#include        // std::cout
#include          // std::thread
#include           // std::mutex

volatile int counter(0); // non-atomic counter
std::mutex mtx;           // locks access to counter

void attempt_10k_increases() {
    for (int i=0; i<10000; ++i) {
        if (mtx.try_lock()) {   // only increase if currently not locked:
            ++counter;
            mtx.unlock();
        }
    }
}

int main (int argc, const char* argv[]) {
    std::thread threads[10];
    for (int i=0; i<10; ++i)
        threads[i] = std::thread(attempt_10k_increases);

    for (auto& th : threads) th.join();
    std::cout << counter << " successful increases of the counter.\n";

    return 0;
}

2 std::recursive_mutex

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

3 std::time_mutex