《C++ Concurrency in Action》笔记8 死锁(1)

就像之前关于top和pop的讨论，他的问题本质上来说是因为lock了太小的单元，保护并不能覆盖几个操作的组合。但是，另一方面，如果lock了太大的范围，同样也能导致问题。极端的情况就是一个全局mutex对象保护了所有的共享数据。在一个存在着大量共享数据的系统中，这将抵消并发带来的任何效益增值，因为它强迫在同一时刻只能运行一个线程，即使这些线程访问的是不同的共享数据。Linux内核的第一个版本就是被设计成使用一个全局内核锁。尽管他能工作，但是这意味着一个双核系统的性能明显低于两个单核系统。后来的Linux版本采用了更加细粒度的锁策略，解决了这个问题。

使用细粒度锁方案的一个问题就是，为了在一个操作中保护所有数据，你需要更多的mutex。如前所说，有时候需要增加锁粒度，以至只需要一个mutex去执行锁定操作。但有时候这是不可取的，例如多个mutex保护了一个类的多个实例。

In this case, locking at the next level up would mean either leaving the locking to the user or having a single mutex that protected all instances of that class, neither of which is particularly desirable.

在这种情况下，进入下一层锁就意味着要么将锁丢给用户去执行，要么使用一个单独的mutex去保护这个类的所有实例，但两者都不令人满意。（不知道翻译的是否准确）

如果你最终不得不在一个操作中使用多个mutex，那么还有另外一个隐藏的风险：死锁。这种情况几乎完全与race condition相反，多个线程都想争得控制权，但却都在等待对方释放控制权，结果只能无限等下去。

一种常见的避免死锁的方式是，总是以同样的顺序锁定2个mutex。但有时不太容易，例如多个mutex负责保护一个类的多个实例。想象一个例子：一个操作用于交换同一个类的两个实例，如果选择固定顺序（例如，先是锁定与第一个参数对应的mutex，然后再锁定与第二个参数对应的mutex），那将适得其反：如果两个线程同时针对相同的一对实例进行交换操作，只是参数顺序不同，那么将产生死锁。

幸运的是，C++标准库提供了一个函数来解决这种问题：std::lock()，可以一次性锁定2个或更多的mutex，而且不会导致死锁。下面的示例演示如何使用这个函数：

class some_big_object{};class X{private:some_big_object some_detail;std::mutex m;public:X(some_big_object const& sd) :some_detail(sd) {}friend void swap(X& lhs, X& rhs){if (&lhs == &rhs)return;std::lock(lhs.m, rhs.m);std::lock_guard<std::mutex> lock_a(lhs.m, std::adopt_lock);std::lock_guard<std::mutex> lock_b(rhs.m, std::adopt_lock);swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);}};

首先检查两个参数是否不同，因为试图锁定一个已经被自己锁定的mutex是未定义行为（ std::recursive_mutex可以被同一个线程多次锁定）。然后使用std::lock()函数锁定两个mutex，再构造2个std::lock_guard对象，std::adopt_lock参数用于通知std::lock_guard对象：为其提供的mutex已经被锁定，在构造时不要再次锁定mutex参数。然后进行具体的数据交换。当函数执行完毕后，2个std::lock_guard对象的析构函数负责解锁其对应的mutex对象，这一点我们通过查看std::lock_guard的源码（vs2013）可以看得十分清楚：

template<class... _Mutexes>class lock_guard{// class with destructor that unlocks mutexespublic:explicit lock_guard(_Mutexes&... _Mtxes): _MyMutexes(_Mtxes...){// construct and lock_STD lock(_Mtxes...);}lock_guard(_Mutexes&... _Mtxes, adopt_lock_t): _MyMutexes(_Mtxes...){// construct but don't lock}~lock_guard() _NOEXCEPT{// unlock all_For_each_tuple_element(_MyMutexes,[](auto& _Mutex) _NOEXCEPT { _Mutex.unlock(); });}lock_guard(const lock_guard&) = delete;lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;private:tuple<_Mutexes&...> _MyMutexes;};

此处仅将lock_guard类模板的部分定义贴了出来，还有两个模板特化代码没有贴出来分别是只有一个mutex参数和没有参数的定义。如果没有参数则lock_guard什么也不做。

具有std::adopt_lock类型参数的构造函数，其实这个参数仅仅起到一个通知的作用，此时构造函数不去对mutex执行lock操作。注意析构函数，无论如何都执行mutex的unlock操作。通过分析std::lock_guard的源码，也会知道，std::lock()函数仅仅负责锁定其参数对应的mutex，别的什么也不做。解锁是由std::lock_guard来做的。

注意多参数模板定义的构造函数，在函数体内自动调用了std::lock()函数。因此上面的swap()函数可以简化成如下版本：

void swap1(X& lhs, X& rhs){if (&lhs == &rhs)return;lock_guard<mutex,mutex> lg(lhs.m, rhs.m);swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail);}

还要注意的是，std::lock()函数在试图锁定一个mutex时可能引发异常，例如，当成功锁定一个mutex后在试图锁定第二个mutex时即使产生来了异常一会保证释放第一个mutex。它遵循一个原则：要么都锁定要么都不锁定。

虽然，std::lock()函数可以帮你同时锁定多个mutex，但是它无法解决这些mutex同时被其他线程分别单独锁定而带来的问题，此时只能靠一个程序员的经验了。