C++线程间的互斥和通信场景分析

互斥锁（mutex）

为了更好地理解，互斥锁，我们可以首先来看这么一个应用场景：模拟车站卖票。

模拟车站卖票

场景说明：
Yang车站售卖从亚特兰蒂斯到古巴比伦的时光飞船票；因为机会难得，所以票数有限，一经发售，谢绝补票。
飞船票总数：100张；
售卖窗口：3个。
对于珍贵的飞船票来说，这个资源是互斥的，比如第100张票，只能卖给一个人，不可能同时卖给两个人。3个窗口都有权限去售卖飞船票（唯一合法途径）。

不加锁的结果

根据场景说明，我们可以很快地分析如下：
可以使用三个线程来模拟三个独立的窗口同时进行卖票；
定义一个全局变量，每当一个窗口卖出一张票，就对这个变量进行减减操作。
故写出如下代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <list>
using namespace std;

int tickets = 100; // 车站剩余票数总数

void sellTickets(int win)
{
	while (tickets > 0)
	{
		{
			if (tickets > 0)
			{
				cout << "窗口：" << win << " 卖出了第：" << tickets << "张票!" << endl;
				tickets--;
			}
			std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(400));
		}
	}
}

int main()
{
	list<std::thread> tlist;
	for (int i = 1; i <= 3; ++i)
	{
		tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i));
	}
	for (std::thread& t : tlist)
	{
		t.join();
	}
	cout << "所有窗口卖票结束！" << endl;

	return 0;
}

运行结果如下：

通过运行，我们可以发现问题：
对于一张票来说，卖出去了多次！
这不白嫖吗？？？这合适吗？
原因也很简单，对于线程来说，谁先执行，谁后执行，完全是根据CPU的调度，根本不可能掌握清楚。
所以，这个代码是线程不安全的！
那，怎么解决呢？
当然是：互斥锁了！

加锁后的结果

我们对上述代码做出如下修改：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <list>
#include <mutex>
using namespace std;

int tickets = 100;
std::mutex mtx;

void sellTickets(int win)
{
	while (tickets > 0)
	{
		{
			lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
			if (tickets > 0)
			{
				cout << "窗口：" << win << " 卖出了第：" << tickets << "张票!" << endl;
				tickets--;
			}
			std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(400));
		}
	}
}

int main()
{
	list<std::thread> tlist;
	for (int i = 1; i <= 3; ++i)
	{
		tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i));
	}
	for (std::thread& t : tlist)
	{
		t.join();
	}
	cout << "所有窗口卖票结束！" << endl;

	return 0;
}

首先定义了一个全局的互斥锁std::mutex mtx；接着在对票数tickets进行减减操作时，定义了lock_guard，这个就相当于智能指针scoped_ptr一样，可以出了作用域自动释放锁资源。
运行结果如下：

我们可以看到这一次，就没问题了。

简单总结

互斥锁的使用可以有三种：
（首先都需要在全局定义互斥锁std::mutex mtx）

• 首先可以直接在需要加锁和解锁的地方，手动进行：加锁mtx.lock()、解锁mtx.unlock()；
• 可以在需要加锁的地方定义保护锁：lock_guard<std::mutex> lock(mtx)，这个锁在定义的时候自动上锁，出了作用域自动解锁。（其实就是借助了智能指针的思想，定义对象出调用构造函数底层调用lock()，出了作用域调用析构函数底层调用unlock()）；
• 可以在需要加锁的地方定义唯一锁：unique_lock<std::mutex> lock(mtx)，这个锁和保护锁类似，但是比保护锁更加好用。（可以类比智能指针中的scoped_ptr和unique_ptr的区别，二者都是将拷贝构造和赋值重载函数删除了，但是unique_ptr和unique_lock都定义了带有右值引用的拷贝构造和赋值）

条件变量（conditon_variable）

如果说，互斥锁是为了解决线程间互斥的问题，那么，条件变量就是为了解决线程间通信的问题。
同样的，我们可以首先来看一个问题（模型）：

生产者消费者线程模型

生产者消费者线程模型是一个很经典的线程模型；
首先会有两个线程，一个是生产者，一个是消费者，生产者只负责生产资源，消费者只负责消费资源。

产生问题

根据上述互斥锁的理解，我们可以写出如下代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <queue>
using namespace std;

std::mutex mtx; 

class Queue
{
public:
	void put(int num)
	{
		lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
		que.push(num);
		cout << "生产者，生产了：" << num << "号产品" << endl;
	}
	void get()
	{
		lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
		int val = que.front();
		que.pop();
		cout << "消费者，消费了：" << val << "号产品" << endl;
	}
private:
	queue<int> que;
};

void producer(Queue* que)
{
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		que->put(i);
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
	}
}

void consumer(Queue* que)
{
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		que->get();
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
	}
}
int main()
{
	Queue que;

	std::thread t1(producer, &que);
	std::thread t2(consumer, &que);

	t1.join();
	t2.join();

	return 0;
}

同样的，我们定义了两个线程：t1、t2分别作为生产者和消费者，并且定义了两个线程函数：producer和consumer，这两个函数接受一个Queue*的参数，并且通过这个指针调用put和get方法，这两个方法就是往资源队列里面执行入队和出队操作。
运行结果如下：

我们会发现，出错了。
多运行几次试试：

我们发现，每次运行的结果还都不一样，但是都会出现系统崩溃的问题。
仔细来看这个错误原因：

我们再想想这个代码的逻辑：
一个生产者只负责生产；
一个消费者只负责消费；
他们共同在队列里面存取资源；
存取资源操作本身是互斥的。
发现问题了吗？
这两个线程之间彼此的操作独立，换句话说，
没有通信！
生产者生产的时候，消费者不知道；
消费者消费的时候，生产者也不知道；
但是消费者是要从队列里面取资源的，如果某一个时刻，队列里为空了，它就不能取了！

解决问题

分析完问题之后，我们知道了：
问题出在：没有通信上面。
那么如何解决通信问题呢？
当然就是：条件变量了！
我们做出如下代码的修改：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <queue>
#include <condition_variable>
using namespace std;

std::mutex mtx; // 互斥锁，用于线程间互斥
std::condition_variable cv;// 条件变量，用于线程间通信

class Queue
{
public:
	void put(int num)
	{
		unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
		while (!que.empty())
		{
			cv.wait(lck);
		}
		que.push(num);
		cv.notify_all();
		cout << "生产者，生产了：" << num << "号产品" << endl;
	}
	void get()
	{
		unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
		while (que.empty())
		{
			cv.wait(lck);
		}
		int val = que.front();
		que.pop();
		cv.notify_all();
		cout << "消费者，消费了：" << val << "号产品" << endl;
	}
private:
	queue<int> que;
};

void producer(Queue* que)
{
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		que->put(i);
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
	}
}

void consumer(Queue* que)
{
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		que->get();
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
	}
}
int main()
{
	Queue que;

	std::thread t1(producer, &que);
	std::thread t2(consumer, &que);

	t1.join();
	t2.join();

	return 0;
}

这个时候我们再来看运行结果：

这个时候就是：
生产一个、消费一个。

原子类型（atomic）

我们前面遇到线程不安全的问题，主要是因为涉及++、--操作的时候，有可能被其他的线程干扰，所以使用了互斥锁。
只允许得到锁的线程进行操作；
其他没有得到锁的线程只能眼巴巴的干看着。
但是，对于互斥锁来说，它是比较重的，它对于临界区代码做的事情比较复杂。
简单来说，如果只是为了++、--这样的简单操作互斥的话，使用互斥锁，就有点杀鸡用牛刀的意味了。
那么有没有比互斥锁更加轻量的，并且能够解决问题的呢？
当然有，就是我们要说的原子类型。

简单使用

我们可以简单设置一个场景：
定义十个线程，对一个公有的变量myCount进行task的操作，该操作是对变量进行100次的++。
所以，如果顺利，我们会最终得到myCount = 1000。
代码如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <list>

volatile std::atomic_bool isReady = false;
volatile std::atomic_int myCount = 0;

void task()
{
	while (!isReady)
	{
		// 线程让出当前的CPU时间片，等待下一次调度
		std::this_thread::yield();
	}

	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		myCount++;
	}
}

int main()
{
	std::list<std::thread> tlist;
	for (int i = 0; i < 10; ++i)
	{
		tlist.push_back(std::thread(task));
	}

	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
	isReady = true;

	for (std::thread& it : tlist)
	{
		it.join();
	}
	std::cout << "myCount:" << myCount << std::endl;

	return 0;
}

运行结果如下：

改良车站卖票

对于原子类型来说，使用方法非常简单：
首先包含头文件：#include <atomic>；
接着把需要原子操作的变量定义为对应的原子类型就好：
bool -> atomic_bool;
int -> atomic_int;
其他同理。
理解了这个以后，我们可以使用原子类型对我们的车站卖票进行改良：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <list>
#include <mutex>
#include <atomic>
using namespace std;

std::atomic_int tickets = 100; // 车站剩余票数总数

void sellTickets(int win)
{
	while (tickets > 0)
	{
		tickets--;
		cout << "窗口：" << win << " 卖出了第：" << tickets << "张票!" << endl;
	}
}

int main()
{
	list<std::thread> tlist;
	for (int i = 1; i <= 3; ++i)
	{
		tlist.push_back(std::thread(sellTickets, i));
	}
	for (std::thread& t : tlist)
	{
		t.join();
	}
	cout << "所有窗口卖票结束！" << endl;

	return 0;
}

可以看到，从代码长度来说就轻量了很多！
运行结果如下：

虽然还有部分打印乱序的情况：
（毕竟线程的执行顺序谁也摸不清 😦 ）
但是，代码的逻辑没有问题！
不会出现一张票被卖了多次的情况！
这个原子类型也被叫做：无锁类型，像是一些无锁队列之类的实现，就是靠的这个东西。

以上就是C++线程间的互斥和通信的详细内容，更多关于C++线程间通信的资料请关注我们其它相关文章！