C++ RAII典型应用之lock_guard和unique_lock模板

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1 前言

  常用的线程间同步/通信（IPC）方式有锁（互斥锁、读写锁、自旋锁）、屏障、条件变量、信号量、消息队列。其中锁一种最常用的一种IPC，用于对多个线程共享的资源进行保护，达到线程互斥访问资源的目的。以互斥锁为例，其中最常见的异常而且是致命的问题是——“死锁”。

  死锁（DeadLock) 是指两个或者两个以上的进程（线程）在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，导致两者的任务都无法继续执行下去，直至重新执行程序。

 基于RAII（Resource Acquisition Is Initialization）设计理念，C++ 11引入了lock_guard和unique_lock类模板，以尽可能避免死锁产生。

2 lock_guard

  lock_guard是C++ 11引入的一个互斥锁类模板。lock_guard基于RAII设计理念，将互斥锁的作用范围和（对象）作用域绑定，函数退出作用域后，自动释放锁资源。避免忘记解锁造成的死锁现象。

template <class Mutex> class lock_guard;

lock_guard具有如下特点：

• 创建lock_guard对象，即获取互斥锁权限，并上锁
• 作用域中途不能解锁
• 退出lock_guard对象作用域后，自动解锁
• lock_guard 锁不能复制且不能移动，禁止拷贝构造和移动构造

3 lock_guard使用

  lock_guard使用比较简单：

• 首先需要包含mutex头文件
• 然后创建一个锁实例mutex
• 在需要加锁的作用域内，创建以锁示例mutex作为形参的lock_guard对象

伪代码实现过程：

#include     /* for std::mutex std::lock_guard */

std::mutex mutex;

void func(void)
{
     const std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
    
    /* todo，上锁区域；无需手动解锁，*/
}

写个例子，代码实现功能：

• 创建两个线程
• 线程分别对全局变量访问，并输出到终端
• 期望结果，线程1输出结果“ 1 2 3 4 5”，线程2输出结果“5 4 3 2 1”

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "pthread.h" 

#define	USE_MUTEX 1	/* 是否使用互斥锁，使用，0不使用 */

#if USE_MUTEX
std::mutex s_mutex;
#endif

static int8_t g_count = 0;

void *thread0_entry(void *data)  
{
	uint8_t  i =0;

#if USE_MUTEX
	const std::lock_guard<std::mutex> lock(s_mutex);
#endif
	for (i = 0;i < 5;i++)
	{
		g_count ++;
		printf("%d ", g_count);
		usleep(100);
	}

	printf("\r\n");
}

void *thread1_entry(void *data)  
{
	uint8_t  i =0;
	
#if USE_MUTEX
	const std::lock_guard<std::mutex> lock(s_mutex);
#endif
	for (i = 0;i < 5;i++)
	{
		printf("%d ", g_count);
		g_count--;
		usleep(100);
	}

	printf("\r\n");
}

int main(int argc, char **argv)  
{
	pthread_t thread0;
    pthread_t thread1; 
    void *retval; 
    
    pthread_create(&thread0, NULL, thread0_entry, NULL);
	pthread_create(&thread1, NULL, thread1_entry, NULL);
    pthread_join(thread0, &retval);
    pthread_join(thread1, &retval);
	
	return 0;
 }

  分别编译使用互斥锁和不使用互斥锁版本；加锁版本输出结果正确。

#加锁版本
acuity@ubuntu:/home/RAII$ g++ lock.cpp -o lock -lpthread -std=c++11
acuity@ubuntu:/home/RAII$ ./lock
1 2 3 4 5 
5 4 3 2 1 

#非加锁版本
acuity@ubuntu:/home/RAII$ g++ lock.cpp -o lock -lpthread -std=c++11
acuity@ubuntu:/home/RAII$ ./lock
1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 

4 unique_lock

  unique_lock 是 lock_guard 的衍生版，除了具备lock_guard的完整功能，还增加了自身特有的功能，以适应一些lock_guard无法实现的复杂加锁场景。与lock_guard，相比，unique_lock增加的特性包括：

• 任意时候上锁（指定第二个参数为std::defer_lock），非创建即上锁

void fun0(void) 
{
    std::unique_lock<std::mutex> ulock(mutex, std::defer_lock); /* 创建对象，不上锁 */
    
    /* todo */
    
    guard.lock(); /* 上锁 */

    /* 退出作用域，自动解锁 */
}

• 提供解锁接口unlock，可以中途解锁，非等退出作用域后才解锁

void fun1(void) 
{
    std::unique_lock<std::mutex> ulock(mutex);
    
    /* todo */
    guard.unlock(); /* 解锁 */

    /* todo */
    
    guard.lock(); /* 继续上锁 */

    /* 退出作用域，自动解锁 */
}

• 不可复制，但可移动

/* lock_guard 不可复制，不可移动 */
std::lock_guard<std::mutex> lock0(mutex);
std::lock_guard<std::mutex> lock1 = lock0;  /* error */
std::lock_guard<std::mutex> lock1 = std::move(lock0); /* error */

/* unique_lock 不可复制，可以移动 */
std::unique_lock<std::mutex> ulock0(mutex);
std::unique_lock<std::mutex> ulock1 = ulock0;  /* error */
std::unique_lock<std::mutex> ulock1 = std::move(ulock0); /* ok */

使用原则：

  lock_guard使用简单，效率高；unique_lock使用比较灵活，效率比lock_guard稍微低一点，因为其内部需要维护锁的状态。关于选择使用原则：lock_guard能解决问题的时候，选择lock_guard；否则选择unique_lock。

  注意：lock_guard和unique_lock只支持STL的mutex，不支持POSIX标准的mutex(pthread_mutex_t)。至少目前未支持，编译会失败。

5 相关文章

【1】RAII在C++编程中的必要性