C++ 多线程之互斥量(mutex)详解

目录

• std::mutex
• std::recursive_mutex
• std::time_mutex
• std::recursive_timed_mutex
• std::shared_mutex
• std::shared_timed_mutex
• 总结

C++ 11中的互斥量，声明在 <mutex> 头文件中，互斥量的使用可以在各种方面，比较常用在对共享数据的读写上，如果有多个线程同时读写一个数据，那么想要保证多线程安全，就必须对共享变量的读写进行保护(上锁)，从而保证线程安全。

互斥量主要有四中类型：

• std::mutex，最基本的 Mutex 类。
• std::recursive_mutex，递归 Mutex 类。
• std::time_mutex，限时 Mutex 类。
• std::recursive_timed_mutex，限时递归 Mutex 类。

当然C++14和C++17各增加了一个：

• std::shared_timed_mutex，限时读写锁（C++14）
• std::shared_mutex，读写锁（C++17）

std::mutex

构造函数

mutex();
mutex(const mutex&) = delete;

从上面的构造函数可以看出，std::mutex不允许拷贝构造，当然也不允许move，最初构造的mutex对象是处于未锁定状态的，若构造不成功会抛出 std::system_error 。

析构函数

~mutex();

销毁互斥。若互斥被线程占有，或在占有mutex时线程被终止，则会产生未定义行为。

lock

void lock();

锁定互斥，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：

• 如果该互斥量当前没有被其他线程锁住，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。
• 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，指导其他线程unlock该互斥量。
• 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

try_lock

bool try_lock();

尝试锁住互斥量，立即返回。成功获得锁时返回 true ，否则返回 false。

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：

• 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。
• 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。
• 如果当前互斥量被当前调用线程锁住，则会产生死锁(deadlock)。

unlock

void unlock();

解锁互斥。互斥量必须为当前执行线程所锁定(以及调用lock)，否则行为未定义。

看下面一个简单的例子实现两个线程竞争全局变量g_num对其进行写操作，然后打印输出：

#include <iostream>
#include <chrono>  // std::chrono
#include <thread>  // std::thread
#include <mutex>  // std::mutex
int g_num = 0;  // 为 g_num_mutex 所保护
std::mutex g_num_mutex;
void slow_increment(int id)
{
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        g_num_mutex.lock();
        ++g_num;
        std::cout << "th" << id << " => " << g_num << '\n';
        g_num_mutex.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }
}
int main()
{
    std::thread t1(slow_increment, 0);
    std::thread t2(slow_increment, 1);
    t1.join();
    t2.join();
}

加了互斥量实现有序的写操作并输出：

th0 => 1
th1 => 2
th0 => 3
th1 => 4
th1 => 5
th0 => 6

如果不增加mutex包含，可能输出就不是有序的打印1到6，如下：

• thth01 => 2 => 2
• th1 => 3
• th0 => 4
• th0 => 5
• th1 => 6

std::recursive_mutex

如上面所说的，如果使用std::mutex，如果一个线程在执行中需要再次获得锁，会出现死锁现象。要避免这种情况下就需要使用递归式互斥量std::recursive_mutex，它不会产生上述的死锁问题，可以理解为同一个线程多次获得锁“仅仅增加锁的计数”，同时，必须要确保unlock和lock的次数相同，其他线程才可能取得这个mutex。它的接口与std::mutex的完全一样，用法也基本相同除了可重入(必须同一线程才可重入，其他线程需等待），看下面的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
class X {
    std::recursive_mutex m;
    std::string shared;
  public:
    void fun1() {
      m.lock();
      shared = "fun1";
      std::cout << "in fun1, shared variable is now " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
    void fun2() {
      m.lock();
      shared = "fun2";
      std::cout << "in fun2, shared variable is now " << shared << '\n';
      fun3(); // 递归锁在此处变得有用
      std::cout << "back in fun2, shared variable is " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
    void fun3() {
      m.lock();
      shared = "fun3";
      std::cout << "in fun3, shared variable is now " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
};
int main()
{
    X x;
    std::thread t1(&X::fun1, &x);
    std::thread t2(&X::fun2, &x);
    t1.join();
    t2.join();
}

在fun2中调用fun3，而fun3中还使用了lock和unlock，只有递归式互斥量才能满足当前情况。

输出如下：

in fun1, shared variable is now fun1
in fun2, shared variable is now fun2
in fun3, shared variable is now fun3
back in fun2, shared variable is fun3

std::time_mutex

timed_mutex增加了带时限的try_lock。即try_lock_for和try_lock_until。

try_lock_for尝试锁互斥。阻塞直到超过指定的 timeout_duration 或得到锁，取决于何者先到来。成功获得锁时返回 true，否则返回false 。函数原型如下：

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );

若timeout_duration小于或等于timeout_duration.zero()，则函数表现同try_lock()。由于调度或资源争议延迟，此函数可能阻塞长于timeout_duration。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono_literals;
void do_work(int id) {
  std::ostringstream stream;
  for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    if (mutex.try_lock_for(100ms)) {
      stream << "success ";
      std::this_thread::sleep_for(100ms);
      mutex.unlock();
    } else {
      stream << "failed ";
    }
    std::this_thread::sleep_for(100ms);
  }
  std::cout << "[" << id << "] " << stream.str() << std::endl;
}
int main() {
  // try_lock_for
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.emplace_back(do_work, i);
  }
  for (auto& t : threads) {
    t.join();
  }
}

[3] failed success failed 
[0] success failed success 
[2] failed failed failed 
[1] success success success

try_lock_until也是尝试锁互斥。阻塞直至抵达指定的timeout_time或得到锁，取决于何者先到来。成功获得锁时返回 true，否则返回false。

timeout_time与上面的timeout_duration不一样，timeout_duration表示一段时间，比如1秒，5秒或者10分钟，而timeout_time表示一个时间点，比如说要等到8点30分或10点24分才超时。

使用倾向于timeout_time的时钟，这表示时钟调节有影响。从而阻塞的最大时长可能小于但不会大于在调用时的 timeout_time - Clock::now() ，依赖于调整的方向。由于调度或资源争议延迟，函数亦可能阻塞长于抵达timeout_time之后。同try_lock()，允许此函数虚假地失败并返回false，即使在 timeout_time 前的某点任何线程都不锁定互斥。函数原型如下：

template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time);

看下面的例子：

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono;
void do_work() {
    mutex.lock();
    std::cout << "thread 1, sleeping..." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(4));
    mutex.unlock();
}
void do_work2() {
    auto now = std::chrono::steady_clock::now();
    if (mutex.try_lock_until(now + 5s)) {
        auto end = steady_clock::now();
        std::cout << "try_lock_until success, ";
        std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count()
            << "ms." << std::endl;
        mutex.unlock();
    } else {
        auto end = steady_clock::now();
        std::cout << "try_lock_until failed, ";
        std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count()
            << "ms." << std::endl;
    }
}
int main() {
  // try_lock_until
  std::thread t1(do_work);
  std::thread t2(do_work2);
  t1.join();
  t2.join();
}

获得锁时输出：

thread 1, sleeping...
try_lock_until success, time use: 4000ms.

修改一下，让其超时，输出：

thread 1, sleeping...
try_lock_until failed, time use: 5000ms.

std::recursive_timed_mutex

以类似std::recursive_mutex的方式，recursive_timed_mutex提供排他性递归锁，同线程可以重复获得锁。另外，recursive_timed_mutex通过try_lock_for与try_lock_until方法，提供带时限地获得recursive_timed_mutex锁，类似std::time_mutex。

std::shared_mutex

c++ 17 新出的具有独占模式和共享模式的锁。共享模式能够被std::shared_lock(这个后面再详细将)占有。

std::shared_mutex 是读写锁，把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。

它提供两种访问权限的控制：共享性（shared）和排他性（exclusive）。通过lock/try_lock获取排他性访问权限(仅有一个线程能占有互斥)，通过lock_shared/try_lock_shared获取共享性访问权限(多个线程能共享同一互斥的所有权)。这样的设置对于区分不同线程的读写操作特别有用。

std::shared_mutex通常用于多个读线程能同时访问同一资源而不导致数据竞争，但只有一个写线程能访问的情形。比如，有多个线程调用shared_mutex.lock_shared()，多个线程都可以获得锁，可以同时读共享数据，如果此时有一个写线程调用 shared_mutex.lock()，则读线程均会等待该写线程调用shared_mutex.unlock()。对于C++11 没有提供读写锁，可使用 boost::shared_mutex。

std::shared_mutex新增加的三个接口：

void lock_shared();
bool try_lock_shared();
void unlock_shared();

一个简单例子如下：

#include <iostream>
#include <mutex>  // 对于 std::unique_lock
#include <shared_mutex>
#include <thread>
class ThreadSafeCounter {
 public:
  ThreadSafeCounter() = default;
  // 多个线程/读者能同时读计数器的值。
  unsigned int get() const {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    return value_;
  }
  // 只有一个线程/写者能增加/写线程的值。
  void increment() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_++;
  }
  // 只有一个线程/写者能重置/写线程的值。
  void reset() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_ = 0;
  }
 private:
  mutable std::shared_mutex mutex_;
  unsigned int value_ = 0;
};
int main() {
  ThreadSafeCounter counter;
  auto increment_and_print = [&counter]() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      counter.increment();
      std::cout << std::this_thread::get_id() << ' ' << counter.get() << '\n';
      // 注意：写入 std::cout 实际上也要由另一互斥同步。省略它以保持示例简洁。
    }
  };
  std::thread thread1(increment_and_print);
  std::thread thread2(increment_and_print);
  thread1.join();
  thread2.join();
}
// 解释：下列输出在单核机器上生成。 thread1 开始时，它首次进入循环并调用 increment() ，
// 随后调用 get() 。然而，在它能打印返回值到 std::cout 前，调度器将 thread1 置于休眠
// 并唤醒 thread2 ，它显然有足够时间一次运行全部三个循环迭代。再回到 thread1 ，它仍在首个
// 循环迭代中，它最终打印其局部的计数器副本的值，即 1 到 std::cout ，再运行剩下二个循环。
// 多核机器上，没有线程被置于休眠，且输出更可能为递增顺序。

可能的输出：

139847802500864 1
139847802500864 2
139847802500864 3
139847794108160 4
139847794108160 5
139847794108160 6

std::shared_timed_mutex

它是从C++14 才提供的限时读写锁：std::shared_timed_mutex。

对比std::shared_mutex新增下面两个接口，其实这两个接口与上面讲到的std::timed_mutex的try_lock_for和try_lock_until类似。都是限时等待锁。只不过是增加了共享属性。

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_shared_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );
template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_shared_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time );

总结

由于它们额外的复杂性，读/写锁std::shared_mutex ， std::shared_timed_mutex优于普通锁std::mutex，std::timed_mutex的情况比较少见。但是理论上确实存在。

如果在频繁但短暂的读取操作场景，读/写互斥不会提高性能。它更适合于读取操作频繁且耗时的场景。当读操作只是在内存数据结构中查找时，很可能简单的锁会胜过读/写锁。

如果读取操作的开销非常大，并且您可以并行处理许多操作，那么在某些时候增加读写比率应该会导致读取/写入器性能优于排他锁的情况。断点在哪里取决于实际工作量。

另请注意，在持有锁的同时执行耗时的操作通常是一个坏兆头。可能有更好的方法来解决问题，然后使用读/写锁。

还要注意，在使用mutex时，要时刻注意lock()与unlock()的加锁临界区的范围，不能太大也不能太小，太大了会导致程序运行效率低下，大小了则不能满足我们对程序的控制。并且我们在加锁之后要及时解锁，否则会造成死锁，lock()与unlock()应该是成对出现。

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