C++11中互斥锁的使用

我们现在有一个需求，我们需要对 g_exceptions 这个 vector 的访问进行同步处理，确保同一时刻只有一个线程能向它插入新的元素。为此我使用了一个 mutex 和一个锁（lock）。mutex 是同步操作的主体，在 C++ 11 的 <mutex> 头文件中，有四种风格的实现：

• mutex：提供了核心的 lock() unlock() 方法，以及当 mutex 不可用时就会返回的非阻塞方法 try_lock()
• recursive_mutex：允许同一线程内对同一 mutex 的多重持有
• timed_mutex： 与 mutex 类似，但多了 try_lock_for() try_lock_until() 两个方法，用于在特定时长里持有 mutex，或持有 mutex 直到某个特定时间点
• recursive_timed_mutex：recursive_mutex 和 timed_mutex 的结合

下面是一个使用 std::mutex 的例子（注意 get_id() 和 sleep_for() 两个辅助方法的使用，上文已有提及）。

 #include <iostream>
 #include <thread>
 #include <mutex>
 #include <chrono>
std::mutex g_lock;
void func()
{
    g_lock.lock();
    std::cout << "entered thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(rand() % 10));
    std::cout << "leaving thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    g_lock.unlock();
}
int main()
{
    srand((unsigned int)time(0));
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);
    std::thread t3(func);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    return 0;
   } 

输出如下：

entered thread 10144 
leaving thread 10144 
entered thread 4188 
leaving thread 4188 
entered thread 3424 
leaving thread 3424 

lock() unlock() 两个方法应该很好懂，前者锁住 mutex，如果该 mutex 不可用，则阻塞线程；稍后，后者解锁线程。

下面一个例子展示了一个简单的线程安全的容器（内部使用了 std::vector）。该容器提供用于添加单一元素的 add()方法，以及添加多个元素的 addrange() 方法（内部调用 add() 实现）。

注意：尽管如此，下面会指出，由于 va_args 的使用等原因，这个容器并非真正线程安全。此外，dump() 方法不应属于容器，在实际实现中它应该作为一个独立的辅助函数。这个例子的目的仅仅是展示 mutex 的相关概念，而非实现一个完整的线程安全的容器。

template <typename T>
class container 
{
    std::mutex _lock;
    std::vector<T> _elements;
public:
    void add(T element) 
    {
        _lock.lock();
        _elements.push_back(element);
        _lock.unlock();
    }
    void addrange(int num, ...)
    {
        va_list arguments;
        va_start(arguments, num);
        for (int i = 0; i < num; i++)
        {
            _lock.lock();
            add(va_arg(arguments, T));
            _lock.unlock();
        }
        va_end(arguments); 
    }
    void dump()
    {
        _lock.lock();
        for(auto e : _elements)
            std::cout << e << std::endl;
        _lock.unlock();
    }
};
void func(container<int>& cont)
{
    cont.addrange(3, rand(), rand(), rand());
}
int main()
{
    srand((unsigned int)time(0));
    container<int> cont;
    std::thread t1(func, std::ref(cont));
    std::thread t2(func, std::ref(cont));
    std::thread t3(func, std::ref(cont));
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    cont.dump();
    return 0;
}

当你运行这个程序时，会进入死锁。原因：在 mutex 被释放前，容器尝试多次持有它，这显然不可能。这就是为什么引入 std::recursive_mutex ，它允许一个线程对 mutex 多重持有。允许的最大持有次数并不确定，但当达到上限时，线程锁会抛出 std::system_error 错误。因此，要解决上面例子的错误，除了修改 addrange 令其不再调用 lock 和 unlock 之外，可以用 std::recursive_mutex 代替 mutex。

template <typename T> 
   class container  
{     
   std::recursive_mutex _lock;     
       // ... 
  }; 

成功输出：

6334 
18467 
41 
6334 
18467 
41 
6334 
18467 
41 

敏锐的读者可能注意到，每次调用 func() 输出的都是相同的数字。这是因为，seed 是线程局部量，调用 srand() 只会在主线程中初始化 seed，在其他工作线程中 seed 并未被初始化，所以每次得到的数字都是一样的。

手动加锁和解锁可能造成问题，比如忘记解锁或锁的次序出错，都会造成死锁。C++ 11 标准提供了若干类和函数来解决这个问题。封装类允许以 RAII 风格使用 mutex，在一个锁的生存周期内自动加锁和解锁。这些封装类包括：

• lock_guard：当一个实例被创建时，会尝试持有 mutex （通过调用 lock()）；当实例销毁时，自动释放 mutex （通过调用 unlock()）。不允许拷贝。
• unique_lock：通用 mutex 封装类，与 lock_guard 不同，还支持延迟锁、计时锁、递归锁、移交锁的持有权，以及使用条件变量。不允许拷贝，但允许转移（move）。

借助这些封装类，可以把容器改写为：

template <typename T>
class container 
{
    std::recursive_mutex _lock;
    std::vector<T> _elements;
public:
    void add(T element) 
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
        _elements.push_back(element);
    }
    void addrange(int num, ...)
    {
        va_list arguments;
        va_start(arguments, num);
        for (int i = 0; i < num; i++)
        {
            std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
            add(va_arg(arguments, T));
        }
        va_end(arguments); 
    }
    void dump()
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
        for(auto e : _elements)
            std::cout << e << std::endl;
    }
}

读者可能会提出， dump() 方法不更改容器的状态，应该设为 const。但如果你添加 const 关键字，会得到如下编译错误：

‘std::lock_guard<_Mutex>::lock_guard(_Mutex &)' : cannot convert parameter 1 from ‘const std::recursive_mutex' to ‘std::recursive_mutex &' 

一个 mutex （不管何种风格）必须被持有和释放，这意味着 lock() unlock 方法必被调用，这两个方法是 non-const 的。所以，逻辑上 lock_guard 的声明不能是 const （若该方法 为 const，则 mutex 也为 const）。这个问题的解决办法是，将 mutex 设为 mutable。mutable 允许由 const 方法更改 mutex 状态。不过，这种用法仅限于隐式的，或「元（meta）」状态——譬如，运算过的高速缓存、检索完成的数据，使得下次调用能瞬间完成；或者，改变像 mutex 之类的位元，仅仅作为一个对象的实际状态的补充。

template <typename T>
class container 
{
   mutable std::recursive_mutex _lock;
   std::vector<T> _elements;
public:
   void dump() const
   {
      std::lock_guard<std::recursive_mutex> locker(_lock);
      for(auto e : _elements)
         std::cout << e << std::endl;
   }
};

这些封装类锁的构造函数可以通过重载的声明来指定锁的策略。可用的策略有：

• defer_lock_t 类型的 defer_lock：不持有 mutex
• try_to_lock_t 类型的 try_to_lock： 尝试持有 mutex 而不阻塞线程
• adopt_lock_t 类型的 adopt_lock：假定调用它的线程已持有 mutex

这些策略的声明方式如下：

struct defer_lock_t { };  
struct try_to_lock_t { };  
struct adopt_lock_t { };  
constexpr std::defer_lock_t defer_lock = std::defer_lock_t();  
constexpr std::try_to_lock_t try_to_lock = std::try_to_lock_t();  
constexpr std::adopt_lock_t adopt_lock = std::adopt_lock_t();

除了这些 mutex 封装类之外，标准库还提供了两个方法用于锁住一个或多个 mutex：

• lock：锁住 mutex，通过一个避免了死锁的算法（通过调用 lock()，try_lock() 和 unlock() 实现）
• try_lock：尝试通过调用 try_lock() 来调用多个 mutex，调用次序由 mutex 的指定次序而定

下面是一个死锁案例：有一个元素容器，以及一个 exchange() 函数用于互换两个容器里的某个元素。为了实现线程安全，这个函数通过一个和容器关联的 mutex，对这两个容器的访问进行同步。

template <typename T>
class container 
{
public:
    std::mutex _lock;
    std::set<T> _elements;
    void add(T element) 
    {
        _elements.insert(element);
    }
    void remove(T element) 
    {
        _elements.erase(element);
    }
};
void exchange(container<int>& cont1, container<int>& cont2, int value)
{
    cont1._lock.lock();
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); // <-- forces context switch to simulate the deadlock
    cont2._lock.lock();    
    cont1.remove(value);
    cont2.add(value);
    cont1._lock.unlock();
    cont2._lock.unlock();
}

假如这个函数在两个线程中被调用，在其中一个线程中，一个元素被移出容器 1 而加到容器 2；在另一个线程中，它被移出容器 2 而加到容器 1。这可能导致死锁——当一个线程刚持有第一个锁，程序马上切入另一个线程的时候。

int main()
{
    srand((unsigned int)time(NULL));
    container<int> cont1; 
    cont1.add(1);
    cont1.add(2);
    cont1.add(3);
    container<int> cont2; 
    cont2.add(4);
    cont2.add(5);
    cont2.add(6);
    std::thread t1(exchange, std::ref(cont1), std::ref(cont2), 3);
    std::thread t2(exchange, std::ref(cont2), std::ref(cont1), 6);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

要解决这个问题，可以使用 std::lock，保证所有的锁都以不会死锁的方式被持有：

void exchange(container<int>& cont1, container<int>& cont2, int value)
{
    std::lock(cont1._lock, cont2._lock); 
    cont1.remove(value);
    cont2.add(value);
    cont1._lock.unlock();
    cont2._lock.unlock();
}

总结

• 创建一个mutex对象：使用std::mutex创建一个互斥锁。
• 加锁操作：在进入临界区之前调用lock()方法，以获取独占式访问权限。
• 解锁操作：在退出临界区时调用unlock()方法释放持有的独占式访问权限。
• 使用RAII进行自动加解锁管理：可以通过定义 std::unique_lock/std::shared_lock/ std::scoped_lock 来简化加解锁过程并避免手工管理死锁等风险。
• 防止死锁问题：如果需要同时获得多个互斥器上的所有权，请确保按照相同顺序获取它们，否则可能会发生死锁。另外，应尽量减小临界区大小以提高性能，并考虑使用其他同步原语如条件变量、信号量等来实现更复杂的同步需求。
• 尽可能地避免使用全局变量: 在多线程编程环境中, 全局变量很容易导致竞态条件（race condition），因此我们应该尽可能地将共享数据限制到某些具体的作用域，如对象内部等。
• 小心使用递归锁：std::recursive_mutex允许同一个线程多次获得锁，并在最后一次解除锁定。但是，在实际应用中，这种机制可能会导致死锁问题和性能瓶颈等问题，因此必须谨慎地使用。