c++ mutex

在c++等高级编程语言中，锁也是用来提供“访问保护”的，Mutex，互斥量，就是互斥访问的量。只在多线程编程中起作用。从c++11开始，c++提供了std::mutex类型，对于多线程的加锁操作提供了很好的支持。

无锁的情况

假定有一个全局变量counter，启动两个线程，每个都对该变量自增10000次，最后输出该变量的值。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int counter = 0;
void increase(int time) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000);
    std::thread t2(increase, 10000);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

下面是两次实际运行的结果：

counter:19997
counter:19996

出现上述情况的原因是：自增操作"counter++"不是原子操作，而是由多条汇编指令完成的。多个线程对同一个变量进行读写操作就会出现不可预期的操作。假定counter当前值为10，线程1读取到了10，线程2也读取到了10，分别执行自增操作，线程1和线程2分别将自增的结果写回counter，不管写入的顺序如何，counter都会是11，但是线程1和线程2分别执行了一次自增操作，我们期望的结果是12！！！！！

加锁的情况

定义一个std::mutex对象用于保护counter变量。对于任意一个线程，如果想访问counter，首先要进行"加锁"操作，如果加锁成功，则进行counter的读写，读写操作完成后释放锁； 如果“加锁”不成功，则线程阻塞，直到加锁成功。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int counter = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter

void increase(int time) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        mtx.lock();
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
        mtx.unlock();
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000);
    std::thread t2(increase, 10000);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

几次运行结果：

[root@2d129aac5cc5 demo]# ./mutex_demo2_with_mutex
counter:20000
[root@2d129aac5cc5 demo]# ./mutex_demo2_with_mutex
counter:20000
[root@2d129aac5cc5 demo]# ./mutex_demo2_with_mutex
counter:20000

这次运行结果和我们预想的一致，原因就是“利用锁来保护共享变量”，在这里共享变量就是counter（多个线程都能对其进行访问，所以就是共享变量啦）。

简单总结一些std::mutex：

1. 对于std::mutex对象，任意时刻最多允许一个线程对其进行上锁
2. mtx.lock()：调用该函数的线程尝试加锁。如果上锁不成功，即：其它线程已经上锁且未释放，则当前线程block。如果上锁成功，则执行后面的操作，操作完成后要调用mtx.unlock()释放锁，否则会导致死锁的产生
3. mtx.unlock()：释放锁
4. std::mutex还有一个操作：mtx.try_lock()，字面意思就是：“尝试上锁”，与mtx.lock()的不同点在于：如果上锁不成功，当前线程不阻塞。
5. lock_guard
   虽然std::mutex可以对多线程编程中的共享变量提供保护，但是直接使用std::mutex的情况并不多。因为仅使用std::mutex有时候会发生死锁。回到上边的例子，考虑这样一个情况：假设线程1上锁成功，线程2上锁等待。但是线程1上锁成功后，抛出异常并退出，没有来得及释放锁，导致线程2“永久的等待下去”（线程2：我的心在等待永远在等待……），此时就发生了死锁。给一个发生死锁的 ：

死锁的情况

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int counter = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter

void increase_proxy(int time, int id) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        mtx.lock();
        // 线程1上锁成功后，抛出异常：未释放锁
        if (id == 1) {
            throw std::runtime_error("throw excption....");
        }
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
        mtx.unlock();
    }
}

void increase(int time, int id) {
    try {
        increase_proxy(time, id);
    }
    catch (const std::exception& e){
        std::cout << "id:" << id << ", " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000, 1);
    std::thread t2(increase, 10000, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

执行后，结果如下图所示：

id:1, throw excption....

程序并没有退出，而是永远的“卡”在那里了。

那么这种情况该怎么避免呢？ 这个时候就需要std::lock_guard。std::lock_guard只有构造函数和析构函数。简单的来说：当调用构造函数时，会自动调用传入的对象的lock()函数，而当调用析构函数时，自动调用unlock()函数（这就是所谓的RAII）。

避免死锁，lock_guard

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int counter = 0;
std::mutex mtx; // 保护counter

void increase_proxy(int time, int id) {
    for (int i = 0; i < time; i++) {
        // std::lock_guard对象构造时，自动调用mtx.lock()进行上锁
        // std::lock_guard对象析构时，自动调用mtx.unlock()释放锁
        std::lock_guard<std::mutex> lk(mtx);
        // 线程1上锁成功后，抛出异常：未释放锁
        if (id == 1) {
            throw std::runtime_error("throw excption....");
        }
        // 当前线程休眠1毫秒
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1));
        counter++;
    }
}

void increase(int time, int id) {
    try {
        increase_proxy(time, id);
    }
    catch (const std::exception& e){
        std::cout << "id:" << id << ", " << e.what() << std::endl;
    }
}

int main(int argc, char** argv) {
    std::thread t1(increase, 10000, 1);
    std::thread t2(increase, 10000, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "counter:" << counter << std::endl;
    return 0;
}

执行上述代码，结果为：

id:1, throw excption....
counter:10000

结果符合预期。所以，推荐使用std::mutex和std::lock_guard搭配使用，避免死锁的发生。std::lock_guard对象构造时，自动调用mtx.lock()进行上锁，写下这个语句的时候调用std::lock_guardstd::mutex lk(mtx);，那么调用析构函数应该是大括号{}结束的时候，也就是说定义lock_guard的时候调用构造函数加锁，大括号解锁的时候调用析构函数解锁。

实际上，std::lock_guard有两个构造函数，具体的（参考：cppreference）：

explicit lock_guard( mutex_type& m );                   (1)      (since C++11)
lock_guard( mutex_type& m, std::adopt_lock_t t ); 	(2)      (since C++11)
lock_guard( const lock_guard& ) = delete;               (3)      (since C++11)

unique_lock

虽然lock_guard挺好用的，但是有个很大的缺陷，在定义lock_guard的地方会调用构造函数加锁，在离开定义域的话lock_guard就会被销毁，调用析构函数解锁。这就产生了一个问题，如果这个定义域范围很大的话，那么锁的粒度就很大，很大程序上会影响效率。
为了解决lock_guard锁的粒度过大的原因，可以使用unique_lock

unique_lock<mutex> unique(mtx);

这个会在构造函数加锁，然后可以利用unique.unlock()来解锁，所以当觉得锁的粒度太多的时候，可以利用这个来解锁，而析构的时候会判断当前锁的状态来决定是否解锁，如果当前状态已经是解锁状态了，那么就不会再次解锁，而如果当前状态是加锁状态，就会自动调用unique.unlock()来解锁。而lock_guard在析构的时候一定会解锁，也没有中途解锁的功能。

但是unique_lock内部会维护一个锁的状态，所以在效率上肯定会比lock_guard慢。