C++11并发——多线程std::mutex （二）

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Mutex 又称互斥量，C++ 11中与 Mutex 相关的类（包括锁类型）和函数都声明在 <mutex> 头文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必须包含 <mutex> 头文件。

<mutex> 头文件介绍

Mutex 系列类(四种)

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

Lock 类（两种）

• 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。

其他类型

• std::once_flag
• std::adopt_lock_t
• std::defer_lock_t
• std::try_to_lock_t

函数

• std::try_lock，尝试同时对多个互斥量上锁。
• std::lock，可以同时对多个互斥量上锁。
• std::call_once，如果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。

std::mutex 介绍

下面以 std::mutex 为例介绍 C++11 中的互斥量用法。

std::mutex 是C++11 中最基本的互斥量，std::mutex 对象提供了独占所有权的特性——即不支持递归地对 std::mutex 对象上锁，而 std::recursive_lock 则可以递归地对互斥量对象上锁。

std::mutex 的成员函数

• 构造函数，std::mutex不允许拷贝构造，也不允许 move 拷贝，最初产生的 mutex 对象是处于 unlocked 状态的。
• lock()，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：

　　　　(1). 如果该互斥量当前没有被锁住，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。

　　　　(2). 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。

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

• unlock()， 解锁，释放对互斥量的所有权。
• try_lock()，尝试锁住互斥量，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，

　　　　(1). 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。

　　　　(2). 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。

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

// mutex::try_lock example
#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex

volatile int counter (0); // non-atomic counter
std::mutex mtx;           // locks access to counter

void attempt_10k_increases () {
  for (int i=0; i<10000; ++i) {
    if (mtx.try_lock()) {   // only increase if currently not locked:
      ++counter;
      mtx.unlock();
    }
  }
}

int main ()
{
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads[i] = std::thread(attempt_10k_increases);

  for (auto& th : threads) th.join();
  std::cout << counter << " successful increases of the counter.
";

  return 0;
}

Possible output (any count between 1 and 100000 possible):

std::recursive_mutex 介绍

std::recursive_mutex 与 std::mutex 一样，也是一种可以被上锁的对象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 允许同一个线程对互斥量多次上锁（即递归上锁），

来获得对互斥量对象的多层所有权，std::recursive_mutex 释放互斥量时需要调用与该锁层次深度相同次数的 unlock()，

可理解为 lock() 次数和 unlock() 次数相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

std::time_mutex 介绍

std::time_mutex 比 std::mutex 多了两个成员函数，try_lock_for()，try_lock_until()。

try_lock_for 函数接受一个时间范围，表示在这一段时间范围之内线程如果没有获得锁则被阻塞住（与 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被调用时没有获得锁则直接返回 false），

如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

try_lock_until 函数则接受一个时间点作为参数，在指定时间点未到来之前线程如果没有获得锁则被阻塞住，如果在此期间其他线程释放了锁，则该线程可以获得对互斥量的锁，

如果超时（即在指定时间内还是没有获得锁），则返回 false。

#include <QCoreApplication>
#include <chrono>         // std::chrono::milliseconds
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::timed_mutex
#include <iostream>

std::timed_mutex mtx;


void fireworks()
{
    // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
    while (!mtx.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 << "*
";
    mtx.unlock();
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    std::thread threads[10];
     for (int i=0; i<10; ++i)
         threads[i] = std::thread(fireworks);

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


    return a.exec();
}

Possible output (after around 10 seconds, length of lines may vary slightly):

------------------------------------*
----------------------------------------*
-----------------------------------*
------------------------------*
-------------------------*
--------------------*
---------------*
----------*
-----*
*

std::lock_guard 介绍

与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁。

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

std::mutex mtx;

void print_even (int x) {
    if (x%2==0) std::cout << x << " is even
";
    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]
";
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    std::thread threads[10];
     for (int i=0; i<10; ++i)
         threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);

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


    return a.exec();
}

std::unique_lock 介绍

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。

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

std::mutex mtx;


void print_block (int n, char c)
{
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    for (int i = 0; i < n; i ++){
        std::cout << c;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(100));
    }
    std::cout << "
";
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    QCoreApplication a(argc, argv);

    std::thread th1 (print_block,50,'*');
    std::thread th2 (print_block,50,'$');

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


    return a.exec();
}

Possible output (order of lines may vary, but characters are never mixed):

$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
**************************************************