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C++多线程之互斥量(mutex)

胖小迪 人气:0

C++ 11中的互斥量,声明在 <mutex> 头文件中,互斥量的使用可以在各种方面,比较常用在对共享数据的读写上,如果有多个线程同时读写一个数据,那么想要保证多线程安全,就必须对共享变量的读写进行保护(上锁),从而保证线程安全。

互斥量主要有四中类型:

当然C++14和C++17各增加了一个:

std::mutex

构造函数

mutex();
mutex(const mutex&) = delete;

从上面的构造函数可以看出,std::mutex不允许拷贝构造,当然也不允许move,最初构造的mutex对象是处于未锁定状态的,若构造不成功会抛出 std::system_error 。

析构函数

~mutex();

销毁互斥。若互斥被线程占有,或在占有mutex时线程被终止,则会产生未定义行为。

lock

void lock();

锁定互斥,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:

try_lock

bool try_lock();

尝试锁住互斥量,立即返回。成功获得锁时返回 true ,否则返回 false。

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:

unlock

void unlock();

解锁互斥。互斥量必须为当前执行线程所锁定(以及调用lock),否则行为未定义。

看下面一个简单的例子实现两个线程竞争全局变量g_num对其进行写操作,然后打印输出:

#include <iostream>
#include <chrono>  // std::chrono
#include <thread>  // std::thread
#include <mutex>  // std::mutex
int g_num = 0;  // 为 g_num_mutex 所保护
std::mutex g_num_mutex;
void slow_increment(int id) 
{
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
        g_num_mutex.lock();
        ++g_num;
        std::cout << "th" << id << " => " << g_num << '\n';
        g_num_mutex.unlock();
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }
}  
int main()
{
    std::thread t1(slow_increment, 0);
    std::thread t2(slow_increment, 1);
    t1.join();
    t2.join();
}

加了互斥量实现有序的写操作并输出:

th0 => 1
th1 => 2
th0 => 3
th1 => 4
th1 => 5
th0 => 6

如果不增加mutex包含,可能输出就不是有序的打印1到6,如下:

std::recursive_mutex

如上面所说的,如果使用std::mutex,如果一个线程在执行中需要再次获得锁,会出现死锁现象。要避免这种情况下就需要使用递归式互斥量std::recursive_mutex,它不会产生上述的死锁问题,可以理解为同一个线程多次获得锁“仅仅增加锁的计数”,同时,必须要确保unlock和lock的次数相同,其他线程才可能取得这个mutex。它的接口与std::mutex的完全一样,用法也基本相同除了可重入(必须同一线程才可重入,其他线程需等待),看下面的例子:

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
class X {
    std::recursive_mutex m;
    std::string shared;
  public:
    void fun1() {
      m.lock();
      shared = "fun1";
      std::cout << "in fun1, shared variable is now " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
    void fun2() {
      m.lock();
      shared = "fun2";
      std::cout << "in fun2, shared variable is now " << shared << '\n';
      fun3(); // 递归锁在此处变得有用
      std::cout << "back in fun2, shared variable is " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
    void fun3() {
      m.lock();
      shared = "fun3";
      std::cout << "in fun3, shared variable is now " << shared << '\n';
      m.unlock();
    }
};
int main() 
{
    X x;
    std::thread t1(&X::fun1, &x);
    std::thread t2(&X::fun2, &x);
    t1.join();
    t2.join();
}

在fun2中调用fun3,而fun3中还使用了lock和unlock,只有递归式互斥量才能满足当前情况。

输出如下:

in fun1, shared variable is now fun1
in fun2, shared variable is now fun2
in fun3, shared variable is now fun3
back in fun2, shared variable is fun3

std::time_mutex

timed_mutex增加了带时限的try_lock。即try_lock_fortry_lock_until

try_lock_for尝试锁互斥。阻塞直到超过指定的 timeout_duration 或得到锁,取决于何者先到来。成功获得锁时返回 true,否则返回false 。函数原型如下:

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );

timeout_duration小于或等于timeout_duration.zero(),则函数表现同try_lock()。由于调度或资源争议延迟,此函数可能阻塞长于timeout_duration

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono_literals;
void do_work(int id) {
  std::ostringstream stream;
  for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    if (mutex.try_lock_for(100ms)) {
      stream << "success ";
      std::this_thread::sleep_for(100ms);
      mutex.unlock();
    } else {
      stream << "failed ";
    }
    std::this_thread::sleep_for(100ms);
  }
  std::cout << "[" << id << "] " << stream.str() << std::endl;
}
int main() {
  // try_lock_for
  std::vector<std::thread> threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.emplace_back(do_work, i);
  }
  for (auto& t : threads) {
    t.join();
  }
}

[3] failed success failed 
[0] success failed success 
[2] failed failed failed 
[1] success success success 

try_lock_until也是尝试锁互斥。阻塞直至抵达指定的timeout_time或得到锁,取决于何者先到来。成功获得锁时返回 true,否则返回false。

timeout_time与上面的timeout_duration不一样,timeout_duration表示一段时间,比如1秒,5秒或者10分钟,而timeout_time表示一个时间点,比如说要等到8点30分或10点24分才超时。

使用倾向于timeout_time的时钟,这表示时钟调节有影响。从而阻塞的最大时长可能小于但不会大于在调用时的 timeout_time - Clock::now() ,依赖于调整的方向。由于调度或资源争议延迟,函数亦可能阻塞长于抵达timeout_time之后。同try_lock(),允许此函数虚假地失败并返回false,即使在 timeout_time 前的某点任何线程都不锁定互斥。函数原型如下:

template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time);

看下面的例子:

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <vector>
#include <mutex>
std::timed_mutex mutex;
using namespace std::chrono;
void do_work() {
    mutex.lock();
    std::cout << "thread 1, sleeping..." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(4));
    mutex.unlock();
}
void do_work2() {
    auto now = std::chrono::steady_clock::now();
    if (mutex.try_lock_until(now + 5s)) {
        auto end = steady_clock::now();
        std::cout << "try_lock_until success, ";
        std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count() 
            << "ms." << std::endl;
        mutex.unlock();
    } else {
        auto end = steady_clock::now();
        std::cout << "try_lock_until failed, ";
        std::cout << "time use: " << duration_cast<milliseconds>(end-now).count() 
            << "ms." << std::endl;
    }
}
int main() {
  // try_lock_until
  std::thread t1(do_work);
  std::thread t2(do_work2);
  t1.join();
  t2.join();
}

获得锁时输出:

thread 1, sleeping...
try_lock_until success, time use: 4000ms.

修改一下,让其超时,输出:

thread 1, sleeping...
try_lock_until failed, time use: 5000ms.

std::recursive_timed_mutex

以类似std::recursive_mutex的方式,recursive_timed_mutex提供排他性递归锁,同线程可以重复获得锁。另外,recursive_timed_mutex通过try_lock_fortry_lock_until方法,提供带时限地获得recursive_timed_mutex锁,类似std::time_mutex

std::shared_mutex

c++ 17 新出的具有独占模式和共享模式的锁。共享模式能够被std::shared_lock(这个后面再详细将)占有。

std::shared_mutex 是读写锁,把对共享资源的访问者划分成读者和写者,读者只对共享资源进行读访问,写者则需要对共享资源进行写操作。

它提供两种访问权限的控制:共享性(shared)和排他性(exclusive)。通过lock/try_lock获取排他性访问权限(仅有一个线程能占有互斥),通过lock_shared/try_lock_shared获取共享性访问权限(多个线程能共享同一互斥的所有权)。这样的设置对于区分不同线程的读写操作特别有用。

std::shared_mutex通常用于多个读线程能同时访问同一资源而不导致数据竞争,但只有一个写线程能访问的情形。比如,有多个线程调用shared_mutex.lock_shared(),多个线程都可以获得锁,可以同时读共享数据,如果此时有一个写线程调用 shared_mutex.lock(),则读线程均会等待该写线程调用shared_mutex.unlock()。对于C++11 没有提供读写锁,可使用 boost::shared_mutex

std::shared_mutex新增加的三个接口:

void lock_shared();
bool try_lock_shared();
void unlock_shared();

一个简单例子如下:

#include <iostream>
#include <mutex>  // 对于 std::unique_lock
#include <shared_mutex>
#include <thread>
class ThreadSafeCounter {
 public:
  ThreadSafeCounter() = default;
  // 多个线程/读者能同时读计数器的值。
  unsigned int get() const {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    return value_;
  }
  // 只有一个线程/写者能增加/写线程的值。
  void increment() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_++;
  }
  // 只有一个线程/写者能重置/写线程的值。
  void reset() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_ = 0;
  }
 private:
  mutable std::shared_mutex mutex_;
  unsigned int value_ = 0;
};
int main() {
  ThreadSafeCounter counter;
  auto increment_and_print = [&counter]() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      counter.increment();
      std::cout << std::this_thread::get_id() << ' ' << counter.get() << '\n';
      // 注意:写入 std::cout 实际上也要由另一互斥同步。省略它以保持示例简洁。
    }
  };
  std::thread thread1(increment_and_print);
  std::thread thread2(increment_and_print);
  thread1.join();
  thread2.join();
}
// 解释:下列输出在单核机器上生成。 thread1 开始时,它首次进入循环并调用 increment() ,
// 随后调用 get() 。然而,在它能打印返回值到 std::cout 前,调度器将 thread1 置于休眠
// 并唤醒 thread2 ,它显然有足够时间一次运行全部三个循环迭代。再回到 thread1 ,它仍在首个
// 循环迭代中,它最终打印其局部的计数器副本的值,即 1 到 std::cout ,再运行剩下二个循环。
// 多核机器上,没有线程被置于休眠,且输出更可能为递增顺序。

可能的输出:

139847802500864 1
139847802500864 2
139847802500864 3
139847794108160 4
139847794108160 5
139847794108160 6

std::shared_timed_mutex

它是从C++14 才提供的限时读写锁:std::shared_timed_mutex

对比std::shared_mutex新增下面两个接口,其实这两个接口与上面讲到的std::timed_mutextry_lock_fortry_lock_until类似。都是限时等待锁。只不过是增加了共享属性。

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_shared_for( const std::chrono::duration<Rep,Period>& timeout_duration );
template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_shared_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time );

总结

由于它们额外的复杂性,读/写锁std::shared_mutex , std::shared_timed_mutex优于普通锁std::mutexstd::timed_mutex的情况比较少见。但是理论上确实存在。

如果在频繁但短暂的读取操作场景,读/写互斥不会提高性能。它更适合于读取操作频繁且耗时的场景。当读操作只是在内存数据结构中查找时,很可能简单的锁会胜过读/写锁。

如果读取操作的开销非常大,并且您可以并行处理许多操作,那么在某些时候增加读写比率应该会导致读取/写入器性能优于排他锁的情况。断点在哪里取决于实际工作量。

另请注意,在持有锁的同时执行耗时的操作通常是一个坏兆头。可能有更好的方法来解决问题,然后使用读/写锁。

还要注意,在使用mutex时,要时刻注意lock()与unlock()的加锁临界区的范围,不能太大也不能太小,太大了会导致程序运行效率低下,大小了则不能满足我们对程序的控制。并且我们在加锁之后要及时解锁,否则会造成死锁,lock()与unlock()应该是成对出现。

本篇文章就到这里了,希望能够给你带来帮助,也希望您能够多多关注的更多内容!     

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