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C++線程中幾類鎖的詳解

更新時(shí)間：2021年11月19日 09:06:58 作者：ufgnix0802

這篇文章主要為大家介紹了C++線程中幾類鎖，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

C++線程中的幾類鎖

多線程中的鎖主要有五類：互斥鎖、條件鎖、自旋鎖、讀寫鎖、遞歸鎖。一般而言，所得功能與性能成反比。而且我們一般不使用遞歸鎖（C++提供std::recursive_mutex），這里不做介紹。

互斥鎖

==互斥鎖用于控制多個(gè)線程對(duì)它們之間共享資源互斥訪問的一個(gè)信號(hào)量。==也就是說為了避免多個(gè)線程在某一時(shí)刻同時(shí)操作一個(gè)共享資源，例如一個(gè)全局變量，任何一個(gè)線程都要使用初始鎖互斥地訪問，以避免多個(gè)線程同時(shí)訪問發(fā)生錯(cuò)亂。

在某一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以獲得互斥鎖，在釋放互斥鎖之前其它線程都不能獲得互斥鎖，以阻塞的狀態(tài)在一個(gè)等待隊(duì)列中等待。

頭文件：#include

類型：std::std::mutex、std::lock_guard

用法：在C++中，通過構(gòu)造std::mutex的實(shí)例創(chuàng)建互斥單元，調(diào)用成員函數(shù)lock()來鎖定共享資源，調(diào)用unlock()來解鎖。不過一般不使用這種解決方案，更多的是使用C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的std::lock_guard類模板，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)互斥量包裝程序，提供了一種方便的RAII風(fēng)格的機(jī)制在作用域塊中。

關(guān)于RAII慣用法的介紹：。。。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <thread>//C++11線程庫(kù)是跨平臺(tái)的
#include <mutex>//C++互斥鎖
#include <vector>
#include <windows.h>
int g_num = 0;
std::mutex g_mutex;
void ThreadFunc(int a)
{
	cout << "啟動(dòng)線程:" << a << endl;
	for (int i = 0; i < 1000000; i++)
	{
		//g_mutex.lock();
		std::lock_guard<std::mutex> m(g_mutex);//互斥量包裝程序
		g_num++;
		//g_mutex.unlock();
	}
}

int main()
{
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		std::thread t(ThreadFunc, i);
		t.detach();
	}
	Sleep(2000);
	cout << "g_num:" << g_num << endl;
	return 0;
}

//高階版，將上述main()函數(shù)的函數(shù)名更改，再更改以下的mainTest()即可執(zhí)行。兩個(gè)方法的執(zhí)行的結(jié)果相同，原理也相同。
int mainTest()
{
	std::vector<std::thread *> ts;
	for (int i = 0; i < 4; i++)
	{
		std::thread *t = new std::thread(ThreadFunc, i);
		//t.detach();
		ts.push_back(t);
	}
	for (auto begin = ts.begin(); begin != ts.end(); begin++)
		(*begin)->join();
	Sleep(2000);
	cout << "g_num:" << g_num << endl;
	return 0;
}

效果圖

TIPS：注意std::cout和std::end都是線程不安全的，所以才會(huì)出現(xiàn)線程1和線程3在一行，原因就是線程1未執(zhí)行cout<<endl。CPU的時(shí)間片就已經(jīng)用完了，CPU轉(zhuǎn)移執(zhí)行線程3后，再執(zhí)行線程1的cout<<endl。

具體C++11中thread庫(kù)join和detach的區(qū)別可參考：http://chabaoo.cn/article/229636.htm

條件鎖

條件鎖就是所謂的條件變量，當(dāng)某一個(gè)線程因?yàn)槟硞€(gè)條件未滿足時(shí)可以使用條件變量使該程序處于阻塞狀態(tài)，一旦條件滿足則以“信號(hào)量”的方式喚醒一個(gè)因?yàn)樵摋l件而被阻塞的線程。最為常見的就是再線程池中，初始情況下因?yàn)闆]有任務(wù)使得任務(wù)隊(duì)列為空，此時(shí)線程池中的線程因?yàn)椤叭蝿?wù)隊(duì)列為空”這個(gè)條件處于阻塞狀態(tài)。一旦有任務(wù)進(jìn)來，就會(huì)以信號(hào)量的方式喚醒該線程來處理這個(gè)任務(wù)。

自旋鎖

互斥鎖和條件鎖都是比較常見的鎖，比較容易理解。接下來用互斥鎖和自旋鎖的原理相互比較，來理解自旋鎖。

假設(shè)我們有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)擁有兩個(gè)處理器core1和core2.現(xiàn)在在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行兩個(gè)線程：T1和T2，且T1和T2分別在處理器core1和core2上面運(yùn)行，兩個(gè)線程之間共享一份公共資源Public。

首先我們說明互斥鎖的工作原理，互斥鎖是一種sleep-waiting的鎖。假設(shè)線程T1訪問公共資源Public并獲得互斥鎖，同時(shí)在core1處理器上運(yùn)行，此時(shí)線程T2也想要訪問這份公共資源Public（即想要獲得互斥鎖），但是由于T1正在使用Public使得T2被阻塞。當(dāng)T2處于阻塞狀態(tài)時(shí)，T2被放入等待隊(duì)列中，處理器core2會(huì)去處理其它的任務(wù)而不必一直等待（忙等）。也就是說處理器不會(huì)因?yàn)榫€程被阻塞而空閑，它會(huì)去處理其它事務(wù)。

然后我們說明自旋鎖的工作原理，自旋鎖是一種busy-waiting的鎖。也就是說，如果T1正在使用Public，而T2也想使用Public，此時(shí)T2肯定是得不到這個(gè)自旋鎖的。與互斥鎖相反，此時(shí)運(yùn)行T2的處理器core2會(huì)一直不斷地循環(huán)檢查Public使用可用（自旋鎖請(qǐng)求），直到獲得到這個(gè)自旋鎖為止。

從“自旋鎖”的名稱也可以看出，如果一個(gè)線程想要獲得一個(gè)被使用的自旋鎖，那么它會(huì)一直占用CPU請(qǐng)求這個(gè)自旋鎖使得CPU不能去做其它的事情，知道獲取這個(gè)鎖為止，這就是“自旋”的含義。當(dāng)發(fā)生阻塞時(shí)，互斥鎖可以讓CPU去處理其它的事務(wù)，但自旋鎖讓CPU一直不斷循環(huán)請(qǐng)求獲取這個(gè)鎖。通過比較，我們可以明顯的得出結(jié)論：“自旋鎖”是比較消耗CPU的。

讀寫鎖

讀寫鎖我們可以借助于“讀者-寫者”問題進(jìn)行理解。接下來我們簡(jiǎn)單說下“讀者-寫者”問題。

計(jì)算機(jī)中某些數(shù)據(jù)被多個(gè)進(jìn)程共享，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作有兩種：一種是讀操作，就是從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)不會(huì)修改數(shù)據(jù)庫(kù)中內(nèi)容；另一種就是寫操作，寫操作會(huì)修改數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的數(shù)據(jù)。因此可以得到我們?cè)试S在數(shù)據(jù)庫(kù)上同時(shí)執(zhí)行多個(gè)“讀”操作，但是某一時(shí)刻只能在數(shù)據(jù)庫(kù)上有一個(gè)“寫”操作來更新數(shù)據(jù)。這就是簡(jiǎn)單的讀者-寫者模型。