C++多线程----互斥变量Mutex篇

一、mutex头文件的介绍

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 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 头文件

mutex类4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。

std::mutex 介绍
下面以 std::mutex 为例介绍 C++11 中的互斥量用法。

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。

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)。

来看一个mutex的用法：

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

std::mutex mtx;           // mutex for critical section  

void print_block(int n, char c) {  
    // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking mtx):  
    mtx.lock();  
    for (int i = 0; i<n; ++i) { std::cout << c; }  
    std::cout << '\n';  
    mtx.unlock();  
}  

int main()  
{  
    std::thread th1(print_block, 50, '*');  
    std::thread th2(print_block, 50, '$');  

    th1.join();  
    th2.join();  

    return 0;  
}  

如果不使用mutex那么输出可能是这样的：个线程之间存在乱码

三、recursive_mutex类的介绍

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。

四、time_mutex类的介绍

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;  
}  

五、std：：recursive_timed_mutex类的介绍

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，感兴趣的同鞋可以自行查阅

六、lock类的介绍

（1）std::lock_guard 介绍
 std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：
             template <class Mutex> class lock_guard;

   lock_guard 对象通常用于管理某个锁(Lock)对象，因此与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁(注：类似 shared_ptr 等智能指针管理动态分配的内存资源)。

   模板参数 Mutex 代表互斥量类型，例如 std::mutex 类型，它应该是一个基本的 BasicLockable 类型，标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型，分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex(以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注：BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作，lock 和 unlock，另外还有 Lockable 类型，在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作，因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作：lock，unlock 和 try_lock；最后还有一种 TimedLockable 对象，在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作，因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作：lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。 

    在 lock_guard 对象构造时，传入的 Mutex 对象(即它所管理的 Mutex 对象)会被当前线程锁住。在lock_guard 对象被析构时，它所管理的 Mutex 对象会自动解锁，由于不需要程序员手动调用 lock 和 unlock 对 Mutex 进行上锁和解锁操作，因此这也是最简单安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。

    值得注意的是，lock_guard 对象并不负责管理 Mutex 对象的生命周期，lock_guard 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁。

// lock_guard example  
#include        // std::cout  
#include          // std::thread  
#include           // std::mutex, std::lock_guard  
#include       // std::logic_error  

std::mutex mtx;  

void print_even (int x) {  
  if (x%2==0) std::cout << x << " is even\n";  
  else throw (std::logic_error("not even"));  
}  

void print_thread_id (int id) {  
  try {  
    // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception:  
    std::lock_guard<std::mutex> lck (mtx);  
    print_even(id);  
  }  
  catch (std::logic_error&) {  
    std::cout << "[exception caught]\n";  
  }  
}  

int main ()  
{  
  std::thread threads[10];  
  // spawn 10 threads:  
  for (int i=0; i<10; ++i)  
    threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);  

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

  return 0;  
} 

std::lock_guard 构造函数
1、locking 初始化
lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m，并在构造时对 m 进行上锁（调用 m.lock()）。
2、adopting初始化
lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m，与 locking 初始化(1) 不同的是， Mutex 对象 m 已被当前线程锁住。
3、拷贝构造
lock_guard 对象的拷贝构造和移动构造(move construction)均被禁用，因此 lock_guard 对象不可被拷贝构造或移动构造。

#include        // std::cout  
#include          // std::thread  
#include           // std::mutex, std::lock_guard, std::adopt_lock  

std::mutex mtx;           // mutex for critical section  

void print_thread_id(int id) {  
    mtx.lock();  
    std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);  
    std::cout << "thread #" << id << '\n';  
}  

int main()  
{  
    std::thread threads[10];  
    // spawn 10 threads:  
    for (int i = 0; i<10; ++i)  
        threads[i] = std::thread(print_thread_id, i + 1);  

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

    return 0;  
}  

在 print_thread_id 中，我们首先对 mtx 进行上锁操作(mtx.lock(); )，然后用 mtx 对象构造一个 lock_guard 对象(std::lock_guard lck(mtx, std::adopt_lock); )，注意此时 Tag 参数为 std::adopt_lock，表明当前线程已经获得了锁，此后 mtx 对象的解锁操作交由 lock_guard 对象 lck 来管理，在 lck 的生命周期结束之后，mtx 对象会自动解锁。

lock_guard 最大的特点就是安全易于使用，请看下面例子(参考)，在异常抛出的时候通过 lock_guard 对象管理的 Mutex 可以得到正确地解锁。

#include        // std::cout  
#include          // std::thread  
#include           // std::mutex, std::lock_guard  
#include       // std::logic_error  

std::mutex mtx;  

void print_even(int x) {  
    if (x % 2 == 0) std::cout << x << " is even\n";  
    else throw (std::logic_error("not even"));  
}  

void print_thread_id(int id) {  
    try {  
        // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception:  
        std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);  
        print_even(id);  
    }  
    catch (std::logic_error&) {  
        std::cout << "[exception caught]\n";  
    }  
}  

int main()  
{  
    std::thread threads[10];  
    // spawn 10 threads:  
    for (int i = 0; i<10; ++i)  
        threads[i] = std::thread(print_thread_id, i + 1);  

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

    return 0;  
}  

（2）std::unique_lock 介绍
但是 lock_guard 最大的缺点也是简单，没有给程序员提供足够的灵活度，因此，C++11 标准中定义了另外一个与 Mutex RAII 相关类 unique_lock，该类与 lock_guard 类相似，也很方便线程对互斥量上锁，但它提供了更好的上锁和解锁控制。

   顾名思义，unique_lock 对象以独占所有权的方式（ unique owership）管理 mutex 对象的上锁和解锁操作，所谓独占所有权，就是没有其他的 unique_lock 对象同时拥有某个 mutex 对象的所有权。

     在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。

      std::unique_lock 对象也能保证在其自身析构时它所管理的 Mutex 对象能够被正确地解锁（即使没有显式地调用 unlock 函数）。因此，和 lock_guard 一样，这也是一种简单而又安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。

        值得注意的是，unique_lock 对象同样也不负责管理 Mutex 对象的生命周期，unique_lock 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个 unique_lock 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 unique_lock 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁，这一点和 lock_guard 类似，但 unique_lock 给程序员提供了更多的自由，我会在下面的内容中给大家介绍 unique_lock 的用法。

         另外，与 lock_guard 一样，模板参数 Mutex 代表互斥量类型，例如 std::mutex 类型，它应该是一个基本的 BasicLockable 类型，标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型，分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注：BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作，lock 和 unlock，另外还有 Lockable 类型，在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作，因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作：lock，unlock 和 try_lock；最后还有一种 TimedLockable 对象，在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作，因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作：lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

std::unique_lock 构造函数

std::unique_lock 的构造函数的数目相对来说比 std::lock_guard 多，其中一方面也是因为 std::unique_lock 更加灵活，从而在构造 std::unique_lock 对象时可以接受额外的参数。总地来说，std::unique_lock 构造函数如下：
(1) 默认构造函数
新创建的 unique_lock 对象不管理任何 Mutex 对象。
(2) locking 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.lock() 对 Mutex 对象进行上锁，如果此时另外某个 unique_lock 对象已经管理了该 Mutex 对象 m，则当前线程将会被阻塞。
(3) try-locking 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.try_lock() 对 Mutex 对象进行上锁，但如果上锁不成功，并不会阻塞当前线程。
(4) deferred 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，但是在初始化的时候并不锁住 Mutex 对象。 m 应该是一个没有当前线程锁住的 Mutex 对象。
(5) adopting 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m， m 应该是一个已经被当前线程锁住的 Mutex 对象。(并且当前新创建的 unique_lock 对象拥有对锁(Lock)的所有权)。
(6) locking 一段时间(duration)
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并试图通过调用 m.try_lock_for(rel_time) 来锁住 Mutex 对象一段时间(rel_time)。
(7) locking 直到某个时间点(time point)
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象m，并试图通过调用 m.try_lock_until(abs_time) 来在某个时间点(abs_time)之前锁住 Mutex 对象。
(8) 拷贝构造 [被禁用]
unique_lock 对象不能被拷贝构造。
(9) 移动(move)构造
新创建的 unique_lock 对象获得了由 x 所管理的 Mutex 对象的所有权(包括当前 Mutex 的状态)。调用 move 构造之后， x 对象如同通过默认构造函数所创建的，就不再管理任何 Mutex 对象了。
综上所述，由 (2) 和 (5) 创建的 unique_lock 对象通常拥有 Mutex 对象的锁。而通过 (1) 和 (4) 创建的则不会拥有锁。通过 (3)，(6) 和 (7) 创建的 unique_lock 对象，则在 lock 成功时获得锁。

关于unique_lock 的构造函数，请看下面例子

#include        // std::cout  
#include          // std::thread  
#include           // std::mutex, std::lock, std::unique_lock  
// std::adopt_lock, std::defer_lock  
std::mutex foo, bar;  

void task_a() {  
    std::lock(foo, bar);         // simultaneous lock (prevents deadlock)  
    std::unique_lock<std::mutex> lck1(foo, std::adopt_lock);  
    std::unique_lock<std::mutex> lck2(bar, std::adopt_lock);  
    std::cout << "task a\n";  
    // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)  
}  

void task_b() {  
    // foo.lock(); bar.lock(); // replaced by:  
    std::unique_lock<std::mutex> lck1, lck2;  
    lck1 = std::unique_lock<std::mutex>(bar, std::defer_lock);  
    lck2 = std::unique_lock<std::mutex>(foo, std::defer_lock);  
    std::lock(lck1, lck2);       // simultaneous lock (prevents deadlock)  
    std::cout << "task b\n";  
    // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)  
}  


int main()  
{  
    std::thread th1(task_a);  
    std::thread th2(task_b);  

    th1.join();  
    th2.join();  

    return 0;  
}