C++多线程std::mutex

mutex的作用

可以尝试下如下代码，由于创建了两个线程来对a进行写操作，最后的结果往往不是预期的200000。
如果共享的数据只读，那么不需要特殊处理，可以多个线程同时读，如果共享的数据存在写，那么需要互斥锁来获取所有权以便在本线程写的时候不让别的线程读写。

#include 
#include 

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

int a = 0;

void thread_task1()
{
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        ++a;
    }
}

void thread_task2()
{
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        ++a;
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(thread_task1);
    std::thread t2(thread_task2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << a << std::endl;
    return 0;
}

于是定义了一个mutex对象，在某个线程获取了互斥量的锁后，不允许别的线程再获取锁。这下结果就必然是20000了。

#include 
#include 

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

int a = 0;
std::mutex mtx;

void thread_task1()
{
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        mtx.lock();
        ++a;
        mtx.unlock();
    }
}

void thread_task2()
{
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        mtx.lock();
        ++a;
        mtx.unlock();
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(thread_task1);
    std::thread t2(thread_task2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << a << std::endl;
    return 0;
}

std::mutex 介绍

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。

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。

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。

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)。

unlock()

解锁，释放对互斥量的所有权，如果没有锁的所有权尝试解锁会导致程序异常。

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：
(1). 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。
(2). 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。
(3). 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

try_lock_until()

std::mutex mut;
mut.try_lock_until(std::chrono::steady_clock::now() + std::chrono::milliseconds(100));

try_lock_for()

std::mutex mut;
mut.try_lock_until(std::chrono::milliseconds(100));

std::recursive_mutex 介绍

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。

std::time_mutex 介绍

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。

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。

下面的小例子说明了 std::time_mutex 的用法：

#include        // std::cout
#include          // std::chrono::milliseconds
#include          // std::thread
#include           // std::timed_mutex

std::timed_mutex mtx;

void fireworks() {
  // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
  while (!mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) {
    std::cout << "-";
  }
  // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
  std::cout << "*\n";
  mtx.unlock();
}

int main ()
{
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads[i] = std::thread(fireworks);

  for (auto& th : threads) th.join();

  return 0;
}

std::recursive_timed_mutex 介绍

和 std:recursive_mutex 与 std::mutex 的关系一样，std::recursive_timed_mutex 的特性也可以从 std::timed_mutex 推导出来。

死锁

多个进程造成死锁。
由于下面例子中两个线程各自尝试获取已被另一个线程锁住的锁权限，会造成死锁。

#include 
#include 

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

int a = 0;
std::mutex mtx1;
std::mutex mtx2;

void thread_task1()
{
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        mtx1.lock();
        mtx2.lock();
        ++a;
        mtx2.unlock();
        mtx1.unlock();
    }
}

void thread_task2()
{
    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        mtx2.lock();
        mtx1.lock();
        ++a;
        mtx1.unlock();
        mtx2.unlock();
    }
}

int main()
{
    std::thread t1(thread_task1);
    std::thread t2(thread_task2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << a << std::endl;
    return 0;
}