C++11 并发指南三(std::mutex 详解)

上一篇《C++11 并发指南二(std::thread 详解)》中主要讲到了 std::thread 的一些用法，并给出了两个小例子，本文将介绍 std::mutex 的用法。

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 <mutex> 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 <mutex> 头文件。

<mutex> 头文件介绍

Mutex 系列类(四种)

• 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

• 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。
• 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)。
• unlock()， 解锁，释放对互斥量的所有权。
• 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)。

下面给出一个与 std::mutex 的小例子（参考）

#include <iostream>       // std::cout#include <thread>         // std::thread#include <mutex>          // std::mutexvolatile int counter(0); // non-atomic counterstd::mutex mtx;           // locks access to countervoid attempt_10k_increases() {    for (int i=0; i<10000; ++i) {        if (mtx.try_lock()) {   // only increase if currently not locked:            ++counter;            mtx.unlock();        }    }}int main (int argc, const char* argv[]) {    std::thread threads[10];    for (int i=0; i<10; ++i)        threads[i] = std::thread(attempt_10k_increases);    for (auto& th : threads) th.join();    std::cout << counter << " successful increases of the counter.\n";    return 0;}

std::recursive_mutex 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。

std::time_mutex 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（参考）。

#include <iostream>       // std::cout#include <chrono>         // std::chrono::milliseconds#include <thread>         // std::thread#include <mutex>          // std::timed_mutexstd::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;}

std::recursive_timed_mutex 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。 ;-)

std::lock_guard 介绍

与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁。例子（参考）:

#include <iostream>       // std::cout#include <thread>         // std::thread#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard#include <stdexcept>      // std::logic_errorstd::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::unique_lock 介绍

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。例子（参考）：

#include <iostream>       // std::cout#include <thread>         // std::thread#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lockstd::mutex mtx;           // mutex for critical sectionvoid print_block (int n, char c) {    // critical section (exclusive access to std::cout signaled by lifetime of lck):    std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx);    for (int i=0; i<n; ++i) {        std::cout << c;    }    std::cout << '\n';}int main (){    std::thread th1 (print_block,50,'*');    std::thread th2 (print_block,50,'$');    th1.join();    th2.join();    return 0;}

好了，本文暂时讲到这里，还剩下 std::try_lock，std::lock，std::call_once 三个函数没有讲到，留在下一篇博客中讲吧 ;-)