C++多线程：mutex

互斥量

C++11互斥锁定义在<mutex>头文件中，提供了独占资源的特性

C++11头文件中定义的互斥量

互斥量	说明
mutex	基本互斥量
recursive_mutex	递归互斥量
timed_mutex	定时互斥量
recursive_timed_mutex	递归定时互斥量

std::mutex

最基本的互斥量，提供了独占所有权的特性
默认初始化的mutex对象是unlocked的
不允许拷贝构造和移动构造

std::mutex成员函数

• lock()
  若互斥量未被锁住，则当前线程将互斥量加锁，直到调用unlock()释放锁
  若互斥量被其他线程锁住，则当前线程被阻塞
  若互斥量已被当前线程拥有，则产生死锁
• try_lock()
  若互斥量未被锁住，则当前线程将互斥量加锁，直到调用unlock()释放锁
  若互斥量被其他线程锁住，则当前线程返回false，而不会被阻塞
  若互斥量已被当前线程拥有，则产生死锁
• unlock()
  释放互斥量的所有权

如下示例，给变量count加锁

std::mutex mtx;
if (mtx.try_lock()) {
    ++count;
    mtx.unlock();
}

std::recursive_mutex

递归互斥量，允许一个线程对互斥量多次加锁，即递归加锁，来获取对互斥量对象的多层所有权
在释放递归互斥量时，需要保证与加锁次数相同，其他特性与std::mutex大致相同

std::timed_mutex

定时互斥量，比std::mutex多两个成员函数try_lock_for()和try_lock_until()

• try_lock_for()
  接收一个时间范围实参，若线程在指定时间段内没有获得锁，则被阻塞，并返回false

  while(!tmtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))){
  }
  

• try_lock_until()
  接收一个时间点实参，若线程在指定时间点没有获得锁，则被阻塞，并返回false

std::recursive_timed_mutex

定时递归互斥量

C++11提供RAII特性优化互斥量

与锁相关的Tag类

tag标记类，配合lock_guard和unique_lock使用，以标记锁类型
与STL中区分迭代器种类的设计类似，用于函数重载时提供参数类型支持

C++11提供了如下类型

• std::adopt_lock_t
  空标记类，定义了常量对象constexpr adopt_lock_t adopt_lock{};
• std::defer_lock_t
  空标记类，定义了常量对象constexpr defer_lock_t defer_lock{};
• std::try_to_lock_t
  空标记类，定义了常量对象constexpr try_to_lock_t try_to_lock{};

lock_guard

C++11中定义的模板类，与RAII相关，方便对互斥量加/释放锁，简化编写与mutex相关的异常处理代码
lock_guard对象并不负责管理Mutex对象的生命周期，只是简化了Mutex对象的上锁和解锁操作
类定义

template<typename Mutex>
class lock_guard;

构造函数

• locking

  explicit lock_guard(mutex_type&);
  

  在构造时加锁
• adopting

  lock_guard(mutex_type&, adopt_lock_t tag);
  

  与locking不同的是，互斥量已被当前线程锁住，此后锁对象交由lock_guard对象管理

  mtx.lock();
  std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);
  

拷贝构造

lock_guard(const lock_guard&)=delete;

不支持拷贝构造或移动构造

unique_lock

unique_lock对象同样也不负责管理 Mutex 对象的生命周期
与RAII相关的模板类，相比于lock_guard提供成员函数对锁进行操作，从而灵活度更强
一个unique_lock对象只能和一个mutex所对应，否则可能出现死锁

构造函数

• default

  unique_lock()noexcept;
  

• locking

  explicit unique_lock(mutex_type&);
  

  传入mutex对象，并尝试调用lock()加锁

• try_locking

  unique_lock(mutex_type&, try_to_lock_t tag);
  

  传入mutex对象，并尝试调用try_lock()加锁

  std::unique_lock mul(mlock, std::defer_lock);
  if(mul.try_lock()==true){
      s+= i;
  }
  

• deferred

  unique_lock(mutex_type&, defer_lock_t)noexcept;
  

  传入mutex对象，并不对互斥量加锁，需要使用lock()/unlock手动加/释放锁

  void work2(int& s){
      for(int i=5001; i<=10000; i++>){
          std::unique_lock<std::mutex> mul(mlock, std::defer_lock);
          mul.lock();
          s+= i;
          mul.unlock(); // 可以不用unlock，unique_lock析构时会自动unlock
      }
  }
  

• adopting

  unique_lock(mutex_type&, adopt_lock_t);
  

  传入一个已经被当前线程加锁的mutex对象，表示互斥量已加锁，不需要再重复加锁
  该互斥量之前必须已经加锁，才可以使用该参数

• locking_for

  template<class Rep,class Period>
  unique_lock(mutex_type&, const chrono::duration<Rep,Period>&)
  

  传入mutex对象，并尝试调用try_lock_for()加锁

• locking_until

  template<class Clock, class Duration>
  unique_lock(mutex_type&,const chrono::time_point<Clock,Duration>&)
  

  传入mutex对象，并尝试调用try_lock_until()加锁

拷贝构造函数

unique_lock(const unique_lock&)=delete;

被禁用，不可拷贝

移动构造函数

unique_lock(unique_lock&& x);

移动构造，转移对mutex对象的所有权，调用成功后，x不再管理任何mutex对象

赋值操作

• 赋值操作

  unique_lock& operator=(const unique_lock&)=delete;
  

  被禁用，不可拷贝
• 移动赋值

  unique_lock& operator=(unique_lock&& x)noexcept;
  

  转移对mutex对象的所有权，调用成功后，x不再管理任何mutex对象

std::unique_lock<std::mutex> rtn_ul(){
    std::unique_lock<std::mutex> tmp(mlock);
    return tmp;
}
void work(int& s){
    for(int i=1; i<=5000; i++){
        std::unique_lock<std::mutex> mul2= rtn_ul();
        s+= i;
    }
}

成员函数

lock()
try_lock()
try_lock_for()
try_lock_until()
unlock()

swap()在unique_lock对象之间转移锁资源

owns_lock()返回当前unique_lock对象是否管理锁
operator bool()与owns_lock()功能类似

mutex()返回当前unique_lock对象所管理的mutex对象

std::release()
解除unique_lock和mutex的联系，返回原mutex对象指针，若之前的mutex已经加锁，则后面需要自己手动释放锁

std::unique_lock<std::mutex> mul(mlock);
std::mutex* m= mul.release();
s+= i;
m->unlock();

示例如下：

#include<iostream>
#include<mutex>
std::mutex mlock;
void work1(int& s){
    for(int i=1; i<=5000; i++>){
        std::unique_lock<std::mutex> mul(mlock, std::try_to_lock);
        if(mul.owns_lock()==true){
            s+= i;
        }else{
            // 执行没有共享内存的代码
        }
    }
}
void work2(int& s){
    for(int i=5001; i<=10000; i++>){
        std::unique_lock<std::mutex> mul(mlock, std::try_to_lock);
        if(mul.owns_lock()==true){
            s+= i;
        }else{
            // 执行没有共享内存的代码
        }
    }
}
int main(){
    int ans= 0;
    std::thread t1(work1, std::ref(ans));
    std::thread t2(work2, std::ref(ans));
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout<< ans<<std::endl;

    return 0;
}

<mutex>头文件其他函数

提供的公共函数

• std::lock()
  可以同时对多个互斥量加锁
• std::try_lock()
  尝试同时对多个互斥量加锁
• std::call_once()
  若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