C++多线程学习（三）：锁资源管理和条件变量
参考引用
- C++11 14 17 20 多线程从原理到线程池实战
- 代码运行环境：Visual Studio 2019
1. 利用栈特性自动释放锁 RAII
1.1 什么是 RAII
- RAII (Resource Acquisition Is Initialization)：使用局部对象来管理资源的技术称为资源获取即初始化
- 它的生命周期是由操作系统来管理，无需人工介入
- 资源的销毁容易忘记，造成死锁或内存泄漏
1.2 手动实现 RAII 管理 mutex 资源
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thread_RAII.cpp
#include#include #include #include using namespace std; // RAII class XMutex { public: // 在构造函数中锁住，一生成对象 mux 就拿到锁 XMutex(mutex &mux) : mux_(mux) { cout << "Lock" << endl; mux.lock(); } // 析构函数中释放 ~XMutex() { cout << "Unlock" << endl; mux_.unlock(); } private: // 引用方式存储锁，引用必须在初始化时就要赋值 mutex& mux_; }; static mutex mux; void TextMutex(int status) { XMutex lock(mux); // 不需要关心锁的 unlock() 释放 if (status == 1) { cout << " = 1" << endl; return; } else { cout << " != 1" << endl; return; } } // 超出这个大括号后，会调用析构函数释放栈中资源 int main(int argc, char* argv[]) { TextMutex(1); TextMutex(2); getchar(); return 0; } -
控制台输出
Lock = 1 Unlock Lock != 1 Unlock
2. lock_guard：C++11 支持的 RAII 管理互斥资源
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C++11 实现严格基于作用域的互斥体所有权包装器
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adopt_lock：C++11 类型为 adopt_lock_t，假设调用方已拥有互斥的所有权
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通过 {} 控制锁的临界区（栈区间），出了 {} 后自动释放锁资源
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thread_RAII2.cpp
#include#include #include #include using namespace std; static mutex gmutex; void TestLockGuard(int i) { gmutex.lock(); { // 已经拥有锁，不锁定，退出解锁 lock_guard<mutex> lock(gmutex, adopt_lock); // 结束释放锁 } { lock_guard<mutex> lock(gmutex); cout << "begin thread " << i << endl; } for (;;) { { lock_guard<mutex> lock(gmutex); cout << "In " << i << endl; } this_thread::sleep_for(500ms); } } int main(int argc, char* argv[]) { for (int i = 0; i < 3; i++) { thread th(TestLockGuard, i + 1); th.detach(); } getchar(); return 0; } -
控制台输出
begin thread 1 In 1 begin thread 3 In 3 begin thread 2 In 2 In 1 In 2 In 3 In 1 ...
3. unique_lock：C++11 实现可移动的互斥体所有权包装器
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支持临时释放锁 unlock
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支持 adopt_lock：(已经拥有锁，不加锁，出栈区会释放)
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支持 defer_lock：(延后拥有，不加锁，出栈区不释放)
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支持 try_to_lock：尝试获得互斥的所有权而不阻塞，获取失败退出栈区不会释放，通过 owns_lock() 函数判断
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thread_RAII3.cpp
#include#include #include #include using namespace std; int main(int argc, char* argv[]) { { static mutex mux; { unique_lock<mutex> lock(mux); lock.unlock(); // 临时释放锁 lock.lock(); } { // 已经拥有锁 不锁定，退出栈区解锁 mux.lock(); unique_lock<mutex> lock(mux, adopt_lock); } { // 延后加锁 不拥有 退出栈区不解锁 unique_lock<mutex> lock(mux, defer_lock); // 加锁 退出栈区解锁 lock.lock(); } { //mux.lock(); // 尝试加锁 不阻塞 失败不拥有锁 unique_lock<mutex> lock(mux, try_to_lock); if (lock.owns_lock()) { cout << "owns_lock" << endl; } else { cout << "not owns_lock" << endl; } } } getchar(); return 0; }
4. shared_lock C++14 实现可移动的共享互斥体所有权封装器
int main(int argc, char* argv[]) {
{
// 共享锁
static shared_timed_mutex tmux;
// 读取锁--共享锁
{
// 调用共享锁
shared_lock<shared_timed_mutex> lock(tmux);
cout << "read data" << endl;
// 退出栈区 释放共享锁
}
// 写入锁--互斥锁
{
unique_lock<shared_timed_mutex> lock(tmux);
cout << "write data" << endl;
}
}
}
5. 案例：使用互斥锁和 List 实现多线程通信
- 封装线程基类 XThread 控制线程启动和停止
- 模拟消息服务器线程，接收字符串消息，并模拟处理
- 通过 unique_lock 和 mutex 互斥访问 list
消息队列 - 主线程定时发送消息给子线程
5.1 xthread.h
#pragma once
#include 5.2 xthread.cpp
#include "xthread.h"
using namespace std;
// 启动线程
void XThread::Start() {
is_exit_ = false;
th_ = thread(&XThread::Main, this);
}
// 设置线程退出标志 并等待
void XThread::Stop() {
is_exit_ = true;
Wait();
}
// 等待线程退出（阻塞）
void XThread::Wait() {
if (th_.joinable())
th_.join();
}
// 线程是否退出
bool XThread::is_exit() {
return is_exit_;
}
5.3 xmsg_server.h
#pragma once
#include "xthread.h"
#include
#include 5.4 xmsg_server.cpp
#include "xmsg_server.h"
#include 5.5 thread_msg_server
#include "xmsg_server.h"
#include 6. 条件变量应用场景_生产者消费者信号处理步骤
- 生产者-消费者模型
- 生产者和消费者共享资源变量（List 队列）
- 生产者生产一个产品，通知消费者消费
- 消费者阻塞等待信号：获取信号后消费产品（取出 List 队列中的数据）
6.1 改变共享变量的线程步骤
- 准备好信号量
std::condition_variable cv; - 1、获得 std::mutex（常通过 std::unique_lock）
unique_lock lock(mux); - 2、在获取锁时进行修改
msgs_.push_back(data); - 3、释放锁并通知读取线程
lock.unlock(); cv.notify_one(); // 通知一个等待信号线程 cv.notify_all(); // 通知所有等待信号线程
6.2 等待信号读取共享变量的线程步骤
- 1、获得与改变共享变量线程共同的 mutex
unique_lock lock(mux); - 2、wait() 等待信号通知
// 解锁，并阻塞等待 notify_one notify_all 通知 cv.wait(lock); // 接收到通知会再次获取锁标志，也就是说如果此时 mux 资源被占用，wait 函数会阻塞 msgs_.front(); // 处理数据 msgs_pop_front();
7. condition_variable 读写线程同步
#include
#include