std::thread线程库详解（2）

2021 年 1 月 10 日
笔记
C++, Thread

简介

上一篇博文中，介绍了一下如何创建一个线程，分别是std::thread和std::jthread (C++20)。这两种方法相似，std::jthread相对来说，更加方便一些，具体可以再看看原来的博文，std::thread线程详解（1）。

这一次，我将介绍一下，多线程的锁。锁在多线程中是使用非常广泛的。是多线程中最常见的同步方式。主要介绍的锁有mutex，recursive_mutex， shared_mutex。

最基本的锁 std::mutex

使用

std::mutex是最基本的锁，也是最常见的锁。它提供了最基本的多线程编程同步方法。

using namespace std::chrono_literals;

std::mutex g_mutex;

void thread_func() {
    g_mutex.lock();
    std::cout << "Thread out 1: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;;
    std::this_thread::sleep_for(1s);
    std::cout << "Thread out 2: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;;
    g_mutex.unlock();
}

int main() {
    std::cout << "Mutex Test." << std::endl;
    std::thread thread1(thread_func);
    std::thread thread2(thread_func);
    thread1.join();
    thread2.join();
    return 0;
}

以上示例中，只有一个线程函数thread_func，它的工作很简单：

首先对g_mutex加锁，然后输出一段字符串，接着休眠1s，输出第二段字符串，最后对g_mutex进行解锁。

输出结果如下：

锁的本质是解决多线程对同一资源竞争读写的问题。这里我们的资源是标准输出std::cout。锁的存在让输出有序，可预测了。

方法和属性

lock() 为对象加锁，如果已经被锁了，则阻塞线程；
try_lock() 尝试加锁，如果已经被加锁，则返回false，否则将对其进行加锁并返回true；
unlock() 为对象解锁，通常和加锁（lock()，try_lock()）成对出现；
native_handle() 返回锁的POSIX标准对象。

递归锁 std::recursive_mutex

std::recursive_mutex是一个递归锁，方法和使用都和std::mutex类似。唯一的不同是，std::mutex在同一时间，只允许加锁一次，而std::revursive_mutex允许同一线程下进行多次加锁。如：

// 定义递归锁
std::recursive_mutex g_mutex;

// 线程函数
void thread_func(int thread_id, int time) {
    g_mutex.lock();
    std::cout << "Thread " << thread_id << ": " << time << std::endl;
    if (time != 0) thread_func(thread_id, time - 1);
    g_mutex.unlock();
}

// 初始化线程
std::thread thread1(thread_func, 1, 3);
std::thread thread2(thread_func, 2, 4);

这一次的方法和之前的略有不同，为了更加直观的观察不同的线程，这次是在输入的时候输入一个标志来区分不同的线程。可以清楚的看到，这是一个递归函数，每次调用的时候都将time减少1，直到其变为0。需要注意的是，在递归的时候并没有释放锁，而是直接进入，因此在第二层遍历的时候，又会对g_mutex进行一次加锁，如果是普通的锁，次数将会阻塞进程，变成死锁。但是此时使用的是递归锁，它允许在同一个线程，多次加锁，因此这个程序可以成功运行，并获得输出。

递归锁的方法和普通锁的方法类似。

共享锁 std::shared_mutex (C++17)

std::shared_mutex在C++14已经存在了，但是在C++14中的std::shared_mutex是带timing的版本的读写锁（也就是说，C++14中的std::shared_mutex等于C++17中的std::shared_timed_mutex）。读写锁有两种加锁的方式，一种是shared_lock()，另一种lock()。shared_lock是读模式，而lock是写模式。读写锁允许多个读加锁，而写加锁和其他所有加锁互斥。即同一时间下：

允许多个线程同时读；
只允许一个线程写；
写的时候不允许读，读的时候不允许写。

示例：

// 共享锁
std::shared_mutex g_mutex;

// 读线程 1
void thread_read_1_func(int thread_id) {
    // 第一个获取读权限
    g_mutex.lock_shared();
    std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 1." << std::endl;
    // 睡眠2s,等待读线程2，获取读权限，确认可以多个线程进行读加锁
    std::this_thread::sleep_for(2s);
    std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 2." << std::endl;
    // 解锁读
    g_mutex.unlock_shared();
}

void thread_read_2_func(int thread_id) {
    // 睡眠500ms，确保读线程1先获取锁
    std::this_thread::sleep_for(500ms);
    g_mutex.lock_shared();
    std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 1."  << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(3s);
    std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 2."  << std::endl;
    g_mutex.unlock_shared();
}

void thread_write_1_func(int thread_id) {
    // 确保读线程先获得锁，确认读写互斥
    std::this_thread::sleep_for(300ms);
    g_mutex.lock();
    std::cout << "Write thread " << thread_id << " out 1."  << std::endl;
    g_mutex.unlock();
}

其输出为：

带超时的锁

上面介绍的所有的锁，都带有超时版本。即timed_mutex，recursive_timed_mutex，shared_timed_mutex。他们使用时，和普通版本类似，不过try_lock方法多了两个超时的版本try_lock_for和try_lock_until。调用这一函数时，如果锁已经被获取了，线程将会阻塞一段时间，如果这一段时间内，获取到了锁则返回true，否则返回false

这里我们只介绍timed_mutex，其他的类似。

void thread_func(int thread_id) {
    if (!g_mutex.try_lock_for(0.5s)) return;
    std::cout << "Thread out 1: " << thread_id << std::endl;;
    std::this_thread::sleep_for(1s);
    std::cout << "Thread out 2: " << thread_id << std::endl;;
    g_mutex.unlock();
    g_mutex.native_handle();
}

其输出为:

可以看到，这里只有一个线程有输出，另一个线程，在等待0.5s后直接退出了（没有获取到锁）。

总结

本文主要介绍了三种不同的锁，普通锁，递归锁，读写锁。三个锁有着不一样的使用方法，但是可以确定的是，过多的使用锁，会导致程序中的串行部分过多，并行效果不好。因此对于锁的使用，需要尽量的克制，尽量的合理。

下一篇文章将介绍锁的管理。

博客原文：//www.cnblogs.com/ink19/p/std_thread-2.html

Tags: C++ Thread