多线程 - 线程锁

LincZero大约 9 分钟

多线程 - 线程锁

互斥量（mutex）

简概

互斥量是个类对象，理解成一把锁
使用互斥量要小心，多了影响效率、少了则不安全

使用

std::mutex mymutex;，创建类成员变量
lock()，成员函数能够对线程进行加锁。同一时间只有一个线程能够锁成功；锁成功时会返回true，若没锁成功则阻塞会一直尝试调用lock()
unlock()，成员函数能够对线程进行解锁
使用步骤：lock -> 操作共享数据 -> unlock，其中lock和unlock要成对使用

智能互斥量

std::lock_guard类模板，能自动unlock（防止你忘记unlock、有点像智能指针自动释放内存）
原理：std::lock_guard<std::mutex> sbguard(my_mutex);生成的互斥量对象，在构造函数和析构函数调用时，自动加锁和解锁是对局部变量的巧妙运用
缺点：不太灵活，无法自由控制解锁的位置，不能手动unlock。但可以配合{}来提高灵活度

错误例程（边读边写，会崩溃）

#include <iostream>
#include <thread>			// 线程头文件
using namespace std;

class A{
public:   
    // 收集数据的线程
    void inMsgRecQueue()
    {
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率 
        { 
            cout << "_"; 
            msgRecvQueue.push_back(i);		// 写操作是非原子性的
        } 
    }  
    // 取出数据的线程
    void outMsgRecQueue() 
    {      
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率   
        {       
            if(!msgRecvQueue.empty())      
            {          
                msgRecvQueue.front();		// 返回第一个元素但不检查是否存在   
                msgRecvQueue.pop_front();	// 移除第一个元素但不返回，写操作是非原子性的
                cout << "O"; 
            }  
            else    
            {            
                cout << "空";    
            }      
        }  
    }
private  
    std::list<int> msgRecvQueue;			// 收到的消息列表
} 

int main(){
    A a;
    thread threadI(&A::inMsgRecQueue, &a);	// 成员函数作为线程初始函数
    thread threadO(&A::outMsgRecQueue, &a);	// 成员函数作为线程初始函数
    threadI.json();
    threadO.json();
    cout << "《主线程》" << endl 
        <<"《线程id》"<<std::this_thread:get_id()<<endl;
    return 0;
}

加锁例程（lock/unlock）

#include <iostream>
#include <thread>			// 线程头文件
using namespace std;

class A
{
public:
    // 收集数据的线程
    void inMsgRecQueue()
    {  
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率 
        {      
            cout << "_";
            mymutex.lock();					// 【互斥量】加锁  
            msgRecvQueue.push_back(i);		// 写操作是非原子性的 
            mymutex.unlock();				// 【互斥量】解锁 
        } 
    }   
    // 取出数据的线程   
    void outMsgRecQueue()  
    {    
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率  
        {          
            mymutex.lock();					// 【互斥量】加锁   
            if(!msgRecvQueue.empty())		// 读        
            {            
                mymutex.lock();				// 【互斥量】加锁        
                msgRecvQueue.front();		// 返回第一个元素但不检查是否存在    
                msgRecvQueue.pop_front();	// 移除第一个元素但不返回，写操作是非原子性的   
                cout << "O";      
            }      
            mymutex.unlock();				// 【互斥量】解锁       
            else       
            {           
                cout << "空";    
            }      
        }  
    }
private 
    std::list<int> msgRecvQueue;			// 收到的消息列表  
    std::mutex mymutex;						// 【互斥量】创建一个互斥量成员变量
}  

int main()
{   
    A a; 
    thread threadI(&A::inMsgRecQueue, &a);	// 成员函数作为线程初始函数
    thread threadO(&A::outMsgRecQueue, &a);	// 成员函数作为线程初始函数
    threadI.json(); 
    threadO.json();   
    cout << "《主线程》" << endl  
        <<"《线程id》"<<std::this_thread:get_id()<<endl; 
    return 0;
}

智能互斥量

lock_guard

加锁例程

原理：std::lock_guard<std::mutex> sbguard(my_mutex);生成的互斥量对象，在构造函数和析构函数调用时，自动加锁和解锁

class A
{
public:   
    // 收集数据的线程  
    void inMsgRecQueue() 
    {     
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率       
        {           
            cout << "_";      
            std::lock_guard<std::mutex> sbguard(my_mutex);		// 【智能互斥量】     
            msgRecvQueue.push_back(i);		// 写操作是非原子性的    
        }    
    }   
    // 取出数据的线程    
    void outMsgRecQueue()  
    {      
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率    
        {      
            if(!msgRecvQueue.empty())		// 读     
            {             
                std::lock_guard<std::mutex> sbguard(my_mutex);	// 【智能互斥量】    
                msgRecvQueue.front();		// 返回第一个元素但不检查是否存在    
                msgRecvQueue.pop_front();	// 移除第一个元素但不返回，写操作是非原子性的  
                cout << "O";        
            }      
            else         
            {        
                cout << "空";   
            }    
        } 
    }
private  
    std::list<int> msgRecvQueue;			// 收到的消息列表  
    std::mutex mymutex;						// 【互斥量】创建一个互斥量成员变量
}

lock_guard 第二个参数

第二个参数：该参数是一个结构体对象，起一个标记的作用

std::adopt_lock

作用：表示这个互斥量已经lock()了，不需要再lock一遍，只要负责析构时解锁就行了

应用：创建智能互斥量对象（组合）

std::lock(mutexA, mutexB);										// 先组合锁
std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexA, std::adopt_lock);	// 再设为析构自动解锁
std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexB, std::adopt_lock);

unique_lock

简概
- unique_lock是个类模板。和lock_guard的作用类似，但更灵活
比较unique_lock、lock_guard
- 选用：一般选用lock_guard
- 优点：更灵活。可以在代码中自由加锁解锁（锁锁住代码的多少，称为锁的粒度的粗细，粒度越细执行效率越高）
- 缺点：效率低一点，内存占用多点，但差别不大
使用
- 可直接替换lock_guard使用
- 此时，功能和lock_guard没什么区别

#include <iostream>
#include <thread>			// 线程头文件
using namespace std;

class A
{
public:   
    // 收集数据的线程 
    void inMsgRecQueue()   
    {      
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率   
        {        
            cout << "_";   
            std::unique_lock<std::mutex> sbguard(my_mutex);	// 【unique_lock】  
            msgRecvQueue.push_back(i);		// 写操作是非原子性的    
        }  
    }  
    // 取出数据的线程   
    void outMsgRecQueue() 
    {     
        for(int i=0; i<10000; ++i)			// 增加崩溃几率   
        {          
            std::unique_lock<std::mutex> sbguard(my_mutex);	// 【unique_lock】            
            if(!msgRecvQueue.empty())		// 读       
            {            
                msgRecvQueue.front();		// 返回第一个元素但不检查是否存在  
                msgRecvQueue.pop_front();	// 移除第一个元素但不返回，写操作是非原子性的       
                cout << "O";     
            }           
            else   
            {       
                cout << "空";   
            }    
        }  
    }
private   
    std::list<int> msgRecvQueue;			// 收到的消息列表  
    std::mutex mymutex;						// 【互斥量】创建一个互斥量成员变量
}  

int main()
{   
    A a;  
    thread threadI(&A::inMsgRecQueue, &a);	// 成员函数作为线程初始函数 
    thread threadO(&A::outMsgRecQueue, &a);	// 成员函数作为线程初始函数 
    threadI.json();
    threadO.json(); 
    cout << "《主线程》" << endl    
        <<"《线程id》"<<std::this_thread:get_id()<<endl;  
    return 0;
}

unique_lock 休眠操作

休眠（锁完以后休眠20s）

std::unique_lock<std::mutex> sbguard(my_mutex);	// 【unique_lock】
std::chrono::milliseconds dura(2000);			// 【20s】
std::this_thread::sleep_for(dura);				// 【休息20s】

unique_lock 第二个参数

第二个参数：该参数是一个结构体对象，起一个标记的作用
std::adopt_lock
- 作用：表示这个互斥量已经lock()了，不需要再lock一遍，只要负责析构时解锁就行了使用前需要手动lock互斥量
- 应用：创建智能互斥量对象（组合）
```
std::lock(mutexA, mutexB);										// 先组合锁
std::unique_lock<std::mutex> sbguard(mutexA, std::adopt_lock);	// 再设为析构自动解锁
std::unique_lock<std::mutex> sbguard(mutexB, std::adopt_lock);
```
- 这个标记和在lock_guard中的用法一样

std::try_to_lock

作用：尝试去lock()，若没有锁定成功则立即返回，而不会阻塞注意使用前不要自己先lock互斥量，否则会出错

应用：

std::unique_lock<std::mutex> sbgruad1(my_mutex1, std::try_to_back);
if(shguard1.owns_lock())	// 拿到了锁
{  
    // 操作共享数据
}
else						// 没拿到锁
{   
    // 干点其他事情
}

std::defer_lock

作用：初始化一个没有加锁的mutex 使用前不能自己lock互斥量，否则报异常使用后需要lock()，且不需要手动解锁
优点：加锁解锁较自由
缺点：这里并没有真正加锁原来的那个互斥量，读写时可能会出问题（不稳定）

应用：

std::unique_lock<std::mutex> sbgruad1(my_mutex1, std::defer_lock);	// 初始化一个没有加锁的mutex并添加到智能指针的成员
subgruad1.lock();													// 加锁那个初始化的mutex，并且该mutex可以被自动解锁
// 处理一些非共享数据
subgruad1.unlock();
subgruad1.lock();
// 继续处理共享数据
// subgruad1.unlock(); // 写不写都行，该模式的智能互斥量指针析构会自动检查有无解锁

unique_lock 成员函数

lock()
- 加锁，和互斥量用法一样
unlock()
- 解锁，和互斥量用法一样
try_lock()
- 尝试给互斥量加锁，如果拿不到锁则返回false，否则返回true。不阻塞
- 和unique_lock的std::try_to_lock参数的作用类似

release()

返回它管理的mutext对象指针，并释放所有权

即使unique_lock和构建它的mutext不再有关系

std::unique_lock<std::mutex> sbguard1(my_mutex1);
std::mutex *ptx = sbguard1.release();	// 此时 ptx == my_mutex1。由于和智能互斥量解除关系，现在需要自己解锁了
// ...
ptx->unlock();

unique_lock 所有权的传递

概念

如下例程所示

std::unique_lock<std::mutex> sbguard1(mutex1);	// 此时sbguard1拥有mutex1的所有权
std::unique_lock<std::mutex> sbguard2(mutex1);	// 此时sbguard2不能再拥有mutex1的所有权，该行会报错

所有权的转移

概念：unique_lock该对象可以转移mutex参数的所有权，但不能复制。这和unique_ptr一样，属于独占型智能指针

方法1（std::move方法调用移动构造函数）

std::unique_lock<std::mutex> sbguard1(mutex1);				// 此时sbguard1拥有mutex1的所有权
// std::unique_lock<std::mutex> sbguard2(sbguard1);			// 非法报错，不能复制所有权
std::unique_lock<std::mutex> sbguard2(std:move(sbguard1));	// 移动语义，参数变为右值，所有权转移。此时sbguard1指向空

方法2（返回局部对象从而调用移动构造函数）

std::unique_lock<std::mutex> rtn_unique_lock(){   
    std::unique_lockKstd::mutex> tmpguard(my_mutex1):  
    return tmpguard:	//从函数返回一个局部的unique_lock对象是可以的。  
    // 移动构造函数的知识：返回局部对象会导致系统生成临时的对象，并调用相应的移动构造函数
}
std::unique_lock<std::mutex> sbguard1 = rtn_unique_lock();

死锁（多个互斥量）

造成原因：至少有两个互斥量才会造成死锁
- 抽象场景举例
  - 线程1依次执行：mutexA.lock();、mutexB.lock();
  - 线程2依次执行：mutexB.lock();、mutexA.lock();
  - 当线程1锁完mutexA后上下文切换为线程2并锁了mutexB，就会形成死锁
  - 此时两个线程都会一直阻塞
- 具体场景距离
  - 占有资源、并去抢占其他资源，就有可能会出现死锁
解决方案
- 保证两个互斥量上锁的顺序一致
- 可用std::lock()函数模板解决
std::lock()函数模板
- 作用：一次锁住多个互斥量，可避免在多个线程中因为锁顺序问题导致死锁
- 原理：如遇到没被锁的互斥量则锁住，直到互斥量中有一个没锁住则立即解锁之前锁住的互斥量，并阻塞循环直到组合中所有互斥量都被锁住
- 使用：std::lock(mutexA, mutexB);后，要与解锁配对：mutexA.unlock(); mutexB.unlock();
结合智能互斥量
- std::adopt_lock参数
  - 简概：这是个结构体对象，起一个标记的作用
  - 作用：表示这个互斥量已经lock()了，不需要再lock一遍，只要负责析构时解锁就行了
  - 应用：创建智能互斥量对象（组合）
- 写法
```
std::lock(mutexA, mutexB);										// 先组合锁
std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexA, std::adopt_lock);	// 再设为析构自动解锁
std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexB, std::adopt_lock);
```

总结

std::mutex，创建互斥量对象
std::lock()，组合锁的函数模板

创建智能互斥量对象（非组合）

std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexA);

创建智能互斥量对象（组合）

std::lock(mutexA, mutexB);										// 先组合锁
std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexA, std::adopt_lock);	// 再设为析构自动解锁
std::lock_guard<std::mutex> sbguard(mutexB, std::adopt_lock);