C++并发编程 - 互斥锁
在多线程的编程中，共享数据的修改限制是必不可少的环节。期望的是:当一个线程访问共享数据期间，此数据不应该被其他线程修改；当某个线程修改了共享数据，应通知其他线程。
例如，买车票场景: 座位为共享数据，每个用户属于一个访问共享数据的线程，当一个用户开始购买某个座位车票期间，该座位就应该禁止被其他用户购买。从而避免同一个座位同时被两个用户买到。
通常情况下，解决类似并发问题，首先考虑舍弃并发；若迫不得已，互斥量(mutex)是一个很好选择。
互斥锁
互斥量
互斥锁是依赖互斥量实现的。互斥量可简单理解为仅有两种值true或false的信号量。
互斥锁
互斥锁基于互斥量实现，可用于共享数据访问的保护。即当线程访问共享数据时，有如下动作:
- 访问前，判断互斥锁是否已上锁(互斥量是否置为true)。若上锁，说明有其他线程再访问，当前线程阻塞直至互斥锁解锁；若未上锁，当前线程上锁，并访问共享数据。
- 访问后，退出共享数据的访问，并解锁互斥锁。
在Linux C中互斥锁有pthread_mutex_t方法，但是对于C++编程中，更推荐使用lock_guard、unqiue_lock。主要有以下优势:
无需考虑互斥量的初始化和销毁，在类的构造和析构函数中管理，无需使用者操心。
采用RAII对互斥量进行了不同封装，提供了更方便的上锁机制。
对比pthread_mutex_t，功能都一样，只是使用上更加方便和灵活。毕竟经过c++大佬们深思熟虑设计出来的，如果没有优势，也就不会发布出来。
lock_guard
lock_guard功能与std::mutex的lock与ublock功能相同。 不同的是，lock_guard析构时会自动解锁，使用时无须unlock。这就需要我们将共享资源的访问封装成尽可能小的函数，避免加锁时间过长。
lock_guard类主要源码
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
using mutex_type = _Mutex;
// construct and lock
explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
: _MyMutex(_Mtx)
{
_MyMutex.lock();
}
// construct but don't lock
lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
: _MyMutex(_Mtx)
{
}
// destructor and unlocks
~lock_guard() noexcept
{
_MyMutex.unlock();
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex;
};
从构造与析构可以看出，lock_guard对象创建时会主动调用lock()加锁，销毁时会主动调用unlock()解锁。
unique_lock
unique_lock比lock_guard更加灵活，但性能不如lock_guard。unique_lock提供lock与unlock，同时析构时也会释放锁。
std::unique_lock 可以在构造时传递第二个参数用于管理互斥量，且能传递不同域中互斥量所有权。
unique_lock类主要源码
template<class _Mutex>
class unique_lock
{ // whizzy class with destructor that unlocks mutex
public:
typedef unique_lock<_Mutex> _Myt;
typedef _Mutex mutex_type;
// CONSTRUCT, ASSIGN, AND DESTROY
unique_lock() _NOEXCEPT
: _Pmtx(0), _Owns(false)
{ // default construct
}
explicit unique_lock(_Mutex& _Mtx)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
{ // construct and lock
_Pmtx->lock();
_Owns = true;
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(true)
{ // construct and assume already locked
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, defer_lock_t) _NOEXCEPT
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
{ // construct but don't lock
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, try_to_lock_t)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock())
{ // construct and try to lock
}
template<class _Rep,
class _Period>
unique_lock(_Mutex& _Mtx,
const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock_for(_Rel_time))
{ // construct and lock with timeout
}
template<class _Clock,
class _Duration>
unique_lock(_Mutex& _Mtx,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock_until(_Abs_time))
{ // construct and lock with timeout
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, const xtime *_Abs_time)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
{ // try to lock until _Abs_time
_Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
}
unique_lock(unique_lock&& _Other) _NOEXCEPT
: _Pmtx(_Other._Pmtx), _Owns(_Other._Owns)
{ // destructive copy
_Other._Pmtx = 0;
_Other._Owns = false;
}
unique_lock& operator=(unique_lock&& _Other)
{ // destructive copy
if (this != &_Other)
{ // different, move contents
if (_Owns)
_Pmtx->unlock();
_Pmtx = _Other._Pmtx;
_Owns = _Other._Owns;
_Other._Pmtx = 0;
_Other._Owns = false;
}
return (*this);
}
~unique_lock() _NOEXCEPT
{ // clean up
if (_Owns)
_Pmtx->unlock();
}
unique_lock(const unique_lock&) = delete;
unique_lock& operator=(const unique_lock&) = delete;
// LOCK AND UNLOCK
void lock()
{ // lock the mutex
_Validate();
_Pmtx->lock();
_Owns = true;
}
bool try_lock()
{ // try to lock the mutex
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock();
return (_Owns);
}
template<class _Rep,
class _Period>
bool try_lock_for(const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
{ // try to lock mutex for _Rel_time
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock_for(_Rel_time);
return (_Owns);
}
template<class _Clock,
class _Duration>
bool try_lock_until(
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time)
{ // try to lock mutex until _Abs_time
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
return (_Owns);
}
bool try_lock_until(const xtime *_Abs_time)
{ // try to lock the mutex until _Abs_time
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
return (_Owns);
}
void unlock()
{ // try to unlock the mutex
if (!_Pmtx || !_Owns)
_THROW_NCEE(system_error,
_STD make_error_code(errc::operation_not_permitted));
_Pmtx->unlock();
_Owns = false;
}
// MUTATE
void swap(unique_lock& _Other) _NOEXCEPT
{ // swap with _Other
_STD swap(_Pmtx, _Other._Pmtx);
_STD swap(_Owns, _Other._Owns);
}
_Mutex *release() _NOEXCEPT
{ // disconnect
_Mutex *_Res = _Pmtx;
_Pmtx = 0;
_Owns = false;
return (_Res);
}
// OBSERVE
bool owns_lock() const _NOEXCEPT
{ // return true if this object owns the lock
return (_Owns);
}
explicit operator bool() const _NOEXCEPT
{ // return true if this object owns the lock
return (_Owns);
}
_Mutex *mutex() const _NOEXCEPT
{ // return pointer to managed mutex
return (_Pmtx);
}
private:
_Mutex *_Pmtx;
bool _Owns;
void _Validate() const
{ // check if the mutex can be locked
if (!_Pmtx)
_THROW_NCEE(system_error,
_STD make_error_code(errc::operation_not_permitted));
if (_Owns)
_THROW_NCEE(system_error,
_STD make_error_code(errc::resource_deadlock_would_occur));
}
};
// SWAP
template<class _Mutex>
void swap(unique_lock<_Mutex>& _Left,
unique_lock<_Mutex>& _Right) _NOEXCEPT
{ // swap _Left and _Right
_Left.swap(_Right);
}
unique_lock私有成员为指针 _Mutex *_Pmtx，指向传递进来的互斥量，lock_guard私有成员为引用_Mutex& _MyMutex，引用传递进的互斥量。这就决定了unique_lock能够实现传递互斥量的功能。
另外通过观察unique_lock几种构造，不同的情况可使用对应的构造创建对象:
unique_lock(mutex)
传递未被使用的mutex，通过。会上锁，无法获得锁时会阻塞。unique_lock(mutex, adopt_lock_t)
传递被使用过的mutex，且已经被上过锁，通过。无上锁动作，不阻塞。unique_lock(mutex, defer_lock_t)
传递被使用过的mutex，未被上过锁。无上锁动作，不阻塞。unique_lock(mutex, try_to_lock_t)
任何状态的mutex。尝试上锁，不阻塞。unique_lock(_Mutex& _Mtx, const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
在指定时间长内尝试获取传递的mutex的锁返回。若无法获取锁，会阻塞到指定时间长。unique_lock(mutex_type& m,std::chrono::time_point<Clock,Duration> const& absolute_time)
在给定时间点尝试获取传递的mutex锁返回。若无法获取锁，会阻塞到指定时间点。unique_lock(unique_lock&& _Other)
将已经创建的unique_lock锁的所有权转移到新的锁。保持之前锁的状态，不阻塞。
unique_lock的用法比较多，如果对锁的需求比较简单推荐使用lock_guard。当需要超时或者手动解锁等功能，可以考虑使用unique_lock
总结
相对于Linux原生互斥锁的API，C++封装的lock_guard、unique_lock使用更方便和灵活。如果不是有执念，可以尝试使用C++的接口。
lock_guard与unique_lock的差异主要在于对mutex的管理，其根本取决于两者对于mutex的存储方式不同。lock_guard通过内部成员变量存储mutex，故其无法操作原本的mutex。而unique_lock通过内部指针指向mutex，故其能够操作和传递原本的mutex。
