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C++11 并发指南三(Lock 详解)

2013-10-02 11:38  Haippy  阅读(...)  评论(... 编辑 收藏

在 《C++11 并发指南三(std::mutex 详解)》一文中我们主要介绍了 C++11 标准中的互斥量(Mutex),并简单介绍了一下两种锁类型。本节将详细介绍一下 C++11 标准的锁类型。

C++11 标准为我们提供了两种基本的锁类型,分别如下:

  • 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。

另外还提供了几个与锁类型相关的 Tag 类,分别如下:

  • std::adopt_lock_t,一个空的标记类,定义如下:
struct adopt_lock_t {};

 该类型的常量对象adopt_lock(adopt_lock 是一个常量对象,定义如下:

constexpr adopt_lock_t adopt_lock {};,// constexpr 是 C++11 中的新关键字)

通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。

  • std::defer_lock_t,一个空的标记类,定义如下:
struct defer_lock_t {};

 该类型的常量对象 defer_lockdefer_lock 是一个常量对象,定义如下:

constexpr defer_lock_t defer_lock {};,// constexpr 是 C++11 中的新关键字)

通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。

  • std::try_to_lock_t,一个空的标记类,定义如下:
struct try_to_lock_t {};

 该类型的常量对象 try_to_locktry_to_lock 是一个常量对象,定义如下:

constexpr try_to_lock_t try_to_lock {};,// constexpr 是 C++11 中的新关键字)

通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。后面我们会详细介绍以上三种 Tag 类型在配合 lock_gurad 与 unique_lock 使用时的区别。

std::lock_guard 介绍

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下:

template <class Mutex> class lock_guard;

lock_guard 对象通常用于管理某个锁(Lock)对象,因此与 Mutex RAII 相关,方便线程对互斥量上锁,即在某个 lock_guard 对象的声明周期内,它所管理的锁对象会一直保持上锁状态;而 lock_guard 的生命周期结束之后,它所管理的锁对象会被解锁(注:类似 shared_ptr 等智能指针管理动态分配的内存资源 )。

模板参数 Mutex 代表互斥量类型,例如 std::mutex 类型,它应该是一个基本的 BasicLockable 类型,标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型,分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex,std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注:BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作,lock 和 unlock,另外还有 Lockable 类型,在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作,因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作:lock,unlock 和 try_lock;最后还有一种 TimedLockable 对象,在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作,因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作:lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

在 lock_guard 对象构造时,传入的 Mutex 对象(即它所管理的 Mutex 对象)会被当前线程锁住。在lock_guard 对象被析构时,它所管理的 Mutex 对象会自动解锁,由于不需要程序员手动调用 lock 和 unlock 对 Mutex 进行上锁和解锁操作,因此这也是最简单安全的上锁和解锁方式,尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作,极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。

值得注意的是,lock_guard 对象并不负责管理 Mutex 对象的生命周期,lock_guard 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作,方便线程对互斥量上锁,即在某个 lock_guard 对象的声明周期内,它所管理的锁对象会一直保持上锁状态;而 lock_guard 的生命周期结束之后,它所管理的锁对象会被解锁。

std::lock_guard 构造函数

lock_guard 构造函数如下表所示:

locking (1)
explicit lock_guard (mutex_type& m);
adopting (2)
lock_guard (mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
copy [deleted](3)
lock_guard (const lock_guard&) = delete;
  1. locking 初始化
    • lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m,并在构造时对 m 进行上锁(调用 m.lock())。
  2. adopting初始化
    • lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m,与 locking 初始化(1) 不同的是, Mutex 对象 m 已被当前线程锁住。
  3. 拷贝构造
    • lock_guard 对象的拷贝构造和移动构造(move construction)均被禁用,因此 lock_guard 对象不可被拷贝构造或移动构造。

我们来看一个简单的例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard, std::adopt_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_thread_id (int id) {
  mtx.lock();
  std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);
  std::cout << "thread #" << id << '\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;
}

在 print_thread_id 中,我们首先对 mtx 进行上锁操作(mtx.lock();),然后用 mtx 对象构造一个 lock_guard 对象(std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);),注意此时 Tag 参数为 std::adopt_lock,表明当前线程已经获得了锁,此后 mtx 对象的解锁操作交由 lock_guard 对象 lck 来管理,在 lck 的生命周期结束之后,mtx 对象会自动解锁。

lock_guard 最大的特点就是安全易于使用,请看下面例子(参考),在异常抛出的时候通过 lock_guard 对象管理的 Mutex 可以得到正确地解锁。

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard
#include <stdexcept>      // std::logic_error

std::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

但是 lock_guard 最大的缺点也是简单,没有给程序员提供足够的灵活度,因此,C++11 标准中定义了另外一个与 Mutex RAII 相关类 unique_lock,该类与 lock_guard 类相似,也很方便线程对互斥量上锁,但它提供了更好的上锁和解锁控制。

顾名思义,unique_lock 对象以独占所有权的方式( unique owership)管理 mutex 对象的上锁和解锁操作,所谓独占所有权,就是没有其他的 unique_lock 对象同时拥有某个 mutex 对象的所有权。

在构造(或移动(move)赋值)时,unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数,新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。

std::unique_lock 对象也能保证在其自身析构时它所管理的 Mutex 对象能够被正确地解锁(即使没有显式地调用 unlock 函数)。因此,和 lock_guard 一样,这也是一种简单而又安全的上锁和解锁方式,尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作,极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。

值得注意的是,unique_lock 对象同样也不负责管理 Mutex 对象的生命周期,unique_lock 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作,方便线程对互斥量上锁,即在某个 unique_lock 对象的声明周期内,它所管理的锁对象会一直保持上锁状态;而 unique_lock 的生命周期结束之后,它所管理的锁对象会被解锁,这一点和 lock_guard 类似,但 unique_lock 给程序员提供了更多的自由,我会在下面的内容中给大家介绍 unique_lock 的用法。

另外,与 lock_guard 一样,模板参数 Mutex 代表互斥量类型,例如 std::mutex 类型,它应该是一个基本的 BasicLockable 类型,标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型,分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex,std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注:BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作,lock 和 unlock,另外还有 Lockable 类型,在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作,因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作:lock,unlock 和 try_lock;最后还有一种 TimedLockable 对象,在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作,因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作:lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

std::unique_lock 构造函数

std::unique_lock 的构造函数的数目相对来说比 std::lock_guard 多,其中一方面也是因为 std::unique_lock 更加灵活,从而在构造 std::unique_lock 对象时可以接受额外的参数。总地来说,std::unique_lock 构造函数如下:

default (1)
unique_lock() noexcept;
locking (2)
explicit unique_lock(mutex_type& m);
try-locking (3)
unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag);
deferred (4)
unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept;
adopting (5)
unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
locking for (6)
template <class Rep, class Period>
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
locking until (7)
template <class Clock, class Duration>
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
copy [deleted] (8)
unique_lock(const unique_lock&) = delete;
move (9)
unique_lock(unique_lock&& x);

下面我们来分别介绍以上各个构造函数:

(1) 默认构造函数
新创建的 unique_lock 对象不管理任何 Mutex 对象。
(2) locking 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,并尝试调用 m.lock() 对 Mutex 对象进行上锁,如果此时另外某个 unique_lock 对象已经管理了该 Mutex 对象 m,则当前线程将会被阻塞。
(3) try-locking 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,并尝试调用 m.try_lock() 对 Mutex 对象进行上锁,但如果上锁不成功,并不会阻塞当前线程。
(4) deferred 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,但是在初始化的时候并不锁住 Mutex 对象。 m 应该是一个没有当前线程锁住的 Mutex 对象。
(5) adopting 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m, m 应该是一个已经被当前线程锁住的 Mutex 对象。(并且当前新创建的 unique_lock 对象拥有对锁(Lock)的所有权)。
(6) locking 一段时间(duration)
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,并试图通过调用 m.try_lock_for(rel_time) 来锁住 Mutex 对象一段时间(rel_time)。
(7) locking 直到某个时间点(time point)
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象m,并试图通过调用 m.try_lock_until(abs_time) 来在某个时间点(abs_time)之前锁住 Mutex 对象。
(8) 拷贝构造 [被禁用]
unique_lock 对象不能被拷贝构造。
(9) 移动(move)构造
新创建的 unique_lock 对象获得了由 x 所管理的 Mutex 对象的所有权(包括当前 Mutex 的状态)。调用 move 构造之后, x 对象如同通过默认构造函数所创建的,就不再管理任何 Mutex 对象了。

综上所述,由 (2) 和 (5) 创建的 unique_lock 对象通常拥有 Mutex 对象的锁。而通过 (1) 和 (4) 创建的则不会拥有锁。通过 (3),(6) 和 (7) 创建的 unique_lock 对象,则在 lock 成功时获得锁。

关于unique_lock 的构造函数,请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock, std::unique_lock
                          // std::adopt_lock, std::defer_lock
std::mutex foo,bar;

void task_a () {
  std::lock (foo,bar);         // simultaneous lock (prevents deadlock)
  std::unique_lock<std::mutex> lck1 (foo,std::adopt_lock);
  std::unique_lock<std::mutex> lck2 (bar,std::adopt_lock);
  std::cout << "task a\n";
  // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)
}

void task_b () {
  // foo.lock(); bar.lock(); // replaced by:
  std::unique_lock<std::mutex> lck1, lck2;
  lck1 = std::unique_lock<std::mutex>(bar,std::defer_lock);
  lck2 = std::unique_lock<std::mutex>(foo,std::defer_lock);
  std::lock (lck1,lck2);       // simultaneous lock (prevents deadlock)
  std::cout << "task b\n";
  // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)
}


int main ()
{
  std::thread th1 (task_a);
  std::thread th2 (task_b);

  th1.join();
  th2.join();

  return 0;
}

std::unique_lock 移动(move assign)赋值操作

std::unique_lock 支持移动赋值(move assignment),但是普通的赋值被禁用了,

move (1)
unique_lock& operator= (unique_lock&& x) noexcept;
copy [deleted] (2)
unique_lock& operator= (const unique_lock&) = delete;

移动赋值(move assignment)之后,由 x 所管理的 Mutex 对象及其状态将会被新的 std::unique_lock 对象取代。

如果被赋值的对象之前已经获得了它所管理的 Mutex 对象的锁,则在移动赋值(move assignment)之前会调用 unlock 函数释放它所占有的锁。

调用移动赋值(move assignment)之后, x 对象如同通过默认构造函数所创建的,也就不再管理任何 Mutex 对象了。请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_fifty (char c) {
  std::unique_lock<std::mutex> lck;         // default-constructed
  lck = std::unique_lock<std::mutex>(mtx);  // move-assigned
  for (int i=0; i<50; ++i) { std::cout << c; }
  std::cout << '\n';
}

int main ()
{
  std::thread th1 (print_fifty,'*');
  std::thread th2 (print_fifty,'$');

  th1.join();
  th2.join();

  return 0;
}

std::unique_lock 主要成员函数

本节我们来看看 std::unique_lock 的主要成员函数。由于 std::unique_lock 比 std::lock_guard 操作灵活,因此它提供了更多成员函数。具体分类如下:

  1. 上锁/解锁操作:lock,try_lock,try_lock_for,try_lock_until unlock
  2. 修改操作:移动赋值(move assignment)(前面已经介绍过了),交换(swap)(与另一个 std::unique_lock 对象交换它们所管理的 Mutex 对象的所有权),释放(release)(返回指向它所管理的 Mutex 对象的指针,并释放所有权)
  3. 获取属性操作:owns_lock(返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁)、operator bool()(与 owns_lock 功能相同,返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁)、mutex(返回当前 std::unique_lock 对象所管理的 Mutex 对象的指针)。

std::unique_lock::lock请看下面例子(参考):

上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 lock 函数。如果在调用  Mutex 对象的 lock 函数时该 Mutex 对象已被另一线程锁住,则当前线程会被阻塞,直到它获得了锁。

该函数返回时,当前的 unique_lock 对象便拥有了它所管理的 Mutex 对象的锁。如果上锁操作失败,则抛出 system_error 异常。

// unique_lock::lock/unlock
#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_thread_id (int id) {
  std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx,std::defer_lock);
  // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking lck):
  lck.lock();
  std::cout << "thread #" << id << '\n';
  lck.unlock();
}

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::try_lock

上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock 函数,如果上锁成功,则返回 true,否则返回 false。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <vector>         // std::vector
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_star () {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::defer_lock);
  // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: 
  if (lck.try_lock())
    std::cout << '*';
  else                    
    std::cout << 'x';
}

int main ()
{
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i=0; i<500; ++i)
    threads.emplace_back(print_star);

  for (auto& x: threads) x.join();

  return 0;
}

std::unique_lock::try_lock_for

上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock_for 函数,如果上锁成功,则返回 true,否则返回 false。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <chrono>         // std::chrono::milliseconds
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::timed_mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::timed_mutex mtx;

void fireworks () {
  std::unique_lock<std::timed_mutex> lck(mtx,std::defer_lock);
  // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
  while (!lck.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";
}

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::unique_lock::try_lock_until

上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock_for 函数,如果上锁成功,则返回 true,否则返回 false。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <chrono>         // std::chrono::milliseconds
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::timed_mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::timed_mutex mtx;

void fireworks () {
  std::unique_lock<std::timed_mutex> lck(mtx,std::defer_lock);
  // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
  while (!lck.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";
}

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::unique_lock::unlock

解锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 unlock 函数。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_thread_id (int id) {
  std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx,std::defer_lock);
  // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking lck):
  lck.lock();
  std::cout << "thread #" << id << '\n';
  lck.unlock();
}

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::release

返回指向它所管理的 Mutex 对象的指针,并释放所有权。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <vector>         // std::vector
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock

std::mutex mtx;
int count = 0;

void print_count_and_unlock (std::mutex* p_mtx) {
  std::cout << "count: " << count << '\n';
  p_mtx->unlock();
}

void task() {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
  ++count;
  print_count_and_unlock(lck.release());
}

int main ()
{
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads.emplace_back(task);

  for (auto& x: threads) x.join();

  return 0;
}

std::unique_lock::owns_lock

返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <vector>         // std::vector
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock, std::try_to_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_star () {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::try_to_lock);
  // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: 
  if (lck.owns_lock())
    std::cout << '*';
  else                    
    std::cout << 'x';
}

int main ()
{
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i=0; i<500; ++i)
    threads.emplace_back(print_star);

  for (auto& x: threads) x.join();

  return 0;
}

std::unique_lock::operator bool()

与 owns_lock 功能相同,返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <vector>         // std::vector
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock, std::try_to_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_star () {
  std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::try_to_lock);
  // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: 
  if (lck)
    std::cout << '*';
  else                    
    std::cout << 'x';
}

int main ()
{
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i=0; i<500; ++i)
    threads.emplace_back(print_star);

  for (auto& x: threads) x.join();

  return 0;
}

std::unique_lock::mutex

返回当前 std::unique_lock 对象所管理的 Mutex 对象的指针。

请看下面例子(参考):

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

class MyMutex : public std::mutex {
  int _id;
public:
  MyMutex (int id) : _id(id) {}
  int id() {return _id;}
};

MyMutex mtx (101);

void print_ids (int id) {
  std::unique_lock<MyMutex> lck (mtx);
  std::cout << "thread #" << id << " locked mutex " << lck.mutex()->id() << '\n';
}

int main ()
{
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads[i] = std::thread(print_ids,i+1);

  for (auto& th : threads) th.join();

  return 0;
}

好了,本文先介绍到这里,我们基本上介绍完了 C++11 多线程编程中两种最基本的锁类型,后面我会继续更新有关 C++11 并发编程的博客,希望感兴趣的同学继续关注 ;-)