进行多线程编程如果多个线程需要对同一块内存进行操作比如同时读、同时写、同时读写对于后两种情况来说如果不做任何的人为干涉就会出现各种各样的错误数据。这是因为线程在运行的时候需要先得到CPU时间片时间片用完之后需要放弃已获得的CPU资源就这样线程频繁地在就绪态和运行态之间切换更复杂一点还可以在就绪态、运行态、挂起态之间切换这样就会导致线程的执行顺序并不是有序的而是随机的混乱的就如同下图中的这个例子一样理想很丰满现实却很残酷。解决多线程数据混乱的方案就是进行线程同步最常用的就是互斥锁在C11中一共提供了四种互斥锁std::mutex独占的互斥锁不能递归使用std::timed_mutex带超时的独占互斥锁不能递归使用std::recursive_mutex递归互斥锁不带超时功能std::recursive_timed_mutex带超时的递归互斥锁互斥锁在有些资料中也被称之为互斥量二者是一个东西。如果对线程同步还一无所知建议先看一下这篇文章多线程编程导致数据错乱的原因剖析以及线程同步基本常识1. std::mutex不论是在C还是C中进行线程同步的处理流程基本上是一致的C的mutex类提供了相关的API函数1.1 成员函数lock()函数用于给临界区加锁并且只能有一个线程获得锁的所有权它有阻塞线程的作用函数原型如下void lock();独占互斥锁对象有两种状态锁定和未锁定。如果互斥锁是打开的调用lock()函数的线程会得到互斥锁的所有权并将其上锁其它线程再调用该函数的时候由于得不到互斥锁的所有权就会被lock()函数阻塞。当拥有互斥锁所有权的线程将互斥锁解锁此时被lock()阻塞的线程解除阻塞抢到互斥锁所有权的线程加锁并继续运行没抢到互斥锁所有权的线程继续阻塞。除了使用lock()还可以使用try_lock()获取互斥锁的所有权并对互斥锁加锁函数原型如下bool try_lock();二者的区别在于try_lock()不会阻塞线程lock()会阻塞线程如果互斥锁是未锁定状态得到了互斥锁所有权并加锁成功函数返回true如果互斥锁是锁定状态无法得到互斥锁所有权加锁失败函数返回false当互斥锁被锁定之后可以通过unlock()进行解锁但是需要注意的是只有拥有互斥锁所有权的线程也就是对互斥锁上锁的线程才能将其解锁其它线程是没有权限做这件事情的。该函数的函数原型如下void unlock();通过介绍以上三个函数使用互斥锁进行线程同步的大致思路差不多就能搞清楚了主要分为以下几步找到多个线程操作的共享资源全局变量、堆内存、类成员变量等也可以称之为临界资源1.找到和共享资源有关的上下文代码也就是临界区下图中的黄色代码部分2.在临界区的上边调用互斥锁类的lock()方法3.在临界区的下边调用互斥锁的unlock()方法4.线程同步的目的是让多线程按照顺序依次执行临界区代码这样做线程对共享资源的访问就从并行访问变为了线性访问访问效率降低了但是保证了数据的正确性。当线程对互斥锁对象加锁并且执行完临界区代码之后一定要使用这个线程对互斥锁解锁否则最终会造成线程的死锁。死锁之后当前应用程序中的所有线程都会被阻塞并且阻塞无法解除应用程序也无法继续运行。1.2 线程同步举个栗子我们让两个线程共同操作同一个全局变量二者交替数数将数值存储到这个全局变量里边并打印出来。#include iostream #include chrono #include thread #include mutex using namespace std; int g_num 0; // 为 g_num_mutex 所保护 mutex g_num_mutex; void slow_increment(int id) { for (int i 0; i 3; i) { g_num_mutex.lock(); g_num; cout id g_num endl; g_num_mutex.unlock(); this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); } } int main() { thread t1(slow_increment, 0); thread t2(slow_increment, 1); t1.join(); t2.join(); }在上面的示例程序中两个子线程执行的任务的一样的其实也可以不一样不同的任务中也可以对共享资源进行读写操作在任务函数中把与全局变量相关的代码加了锁两个线程只能顺序访问这部分代码如果不进行线程同步打印出的数据是混乱且无序的。另外需要强调一点1.在所有线程的任务函数执行完毕之前互斥锁对象是不能被析构的一定要在程序中保证这个对象的可用性。2.互斥锁的个数和共享资源的个数相等也就是说每一个共享资源都应该对应一个互斥锁对象。互斥锁对象的个数和线程的个数没有关系。2. std::lock_guardlock_guard是C11新增的一个模板类使用这个类可以简化互斥锁lock()和unlock()的写法同时也更安全。这个模板类的定义和常用的构造函数原型如下// 类的定义定义于头文件 mutex template class Mutex class lock_guard; // 常用构造函数 explicit lock_guard( mutex_type m );lock_guard在使用上面提供的这个构造函数构造对象时会自动锁定互斥量而在退出作用域后进行析构时就会自动解锁从而保证了互斥量的正确操作避免忘记unlock()操作而导致线程死锁。lock_guard使用了RAII技术就是在类构造函数中分配资源在析构函数中释放资源保证资源出了作用域就释放。使用lock_guard对上面的例子进行修改代码如下void slow_increment(int id) { for (int i 0; i 3; i) { // 使用哨兵锁管理互斥锁 lock_guardmutex lock(g_num_mutex); g_num; cout id g_num endl; this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1)); } }通过修改发现代码被精简了而且不用担心因为忘记解锁而造成程序的死锁但是这种方式也有弊端在上面的示例程序中整个for循环的体都被当做了临界区多个线程是线性的执行临界区代码的因此临界区越大程序效率越低还是需要根据实际情况选择最优的解决方案。3. std::recursive_mutex递归互斥锁std::recursive_mutex允许同一线程多次获得互斥锁可以用来解决同一线程需要多次获取互斥量时死锁的问题在下面的例子中使用独占非递归互斥量会发生死锁#include iostream #include thread #include mutex using namespace std; struct Calculate { Calculate() : m_i(6) {} void mul(int x) { lock_guardmutex locker(m_mutex); m_i * x; } void div(int x) { lock_guardmutex locker(m_mutex); m_i / x; } void both(int x, int y) { lock_guardmutex locker(m_mutex); mul(x); div(y); } int m_i; mutex m_mutex; }; int main() { Calculate cal; cal.both(6, 3); return 0; }上面的程序中执行了cal.both(6, 3);调用之后程序就会发生死锁在both()中已经对互斥锁加锁了继续调用mult()函数已经得到互斥锁所有权的线程再次获取这个互斥锁的所有权就会造成死锁在C中程序会异常退出使用C库函数会导致这个互斥锁永远无法被解锁最终阻塞所有的线程。要解决这个死锁的问题一个简单的办法就是使用递归互斥锁std::recursive_mutex它允许一个线程多次获得互斥锁的所有权。修改之后的代码如下#include iostream #include thread #include mutex using namespace std; struct Calculate { Calculate() : m_i(6) {} void mul(int x) { lock_guardrecursive_mutex locker(m_mutex); m_i * x; } void div(int x) { lock_guardrecursive_mutex locker(m_mutex); m_i / x; } void both(int x, int y) { lock_guardrecursive_mutex locker(m_mutex); mul(x); div(y); } int m_i; recursive_mutex m_mutex; }; int main() { Calculate cal; cal.both(6, 3); cout cal.m_i cal.m_i endl; return 0; }虽然递归互斥锁可以解决同一个互斥锁频繁获取互斥锁资源的问题但是还是建议少用主要原因如下1.使用递归互斥锁的场景往往都是可以简化的使用递归互斥锁很容易放纵复杂逻辑的产生从而导致bug的产生2.递归互斥锁比非递归互斥锁效率要低一些。3.递归互斥锁虽然允许同一个线程多次获得同一个互斥锁的所有权但最大次数并未具体说明一旦超过一定的次数就会抛出std::system错误。4. std::timed_mutexstd::timed_mutex是超时独占互斥锁主要是在获取互斥锁资源时增加了超时等待功能因为不知道获取锁资源需要等待多长时间为了保证不一直等待下去设置了一个超时时长超时后线程就可以解除阻塞去做其他事情了。std::timed_mutex比std::_mutex多了两个成员函数try_lock_for()和try_lock_until()void lock(); bool try_lock(); void unlock(); // std::timed_mutex比std::_mutex多出的两个成员函数 template class Rep, class Period bool try_lock_for (const chrono::durationRep,Period rel_time); template class Clock, class Duration bool try_lock_until (const chrono::time_pointClock,Duration abs_time);try_lock_for函数是当线程获取不到互斥锁资源的时候让线程阻塞一定的时间长度try_lock_until函数是当线程获取不到互斥锁资源的时候让线程阻塞到某一个指定的时间点关于两个函数的返回值当得到互斥锁的所有权之后函数会马上解除阻塞返回true如果阻塞的时长用完或者到达指定的时间点之后函数也会解除阻塞返回false下面的示例程序中为大家演示了std::timed_mutex的使用#include iostream #include thread #include mutex using namespace std; timed_mutex g_mutex; void work() { chrono::seconds timeout(1); while (true) { // 通过阻塞一定的时长来争取得到互斥锁所有权 if (g_mutex.try_lock_for(timeout)) { cout 当前线程ID: this_thread::get_id() , 得到互斥锁所有权... endl; // 模拟处理任务用了一定的时长 this_thread::sleep_for(chrono::seconds(10)); // 互斥锁解锁 g_mutex.unlock(); break; } else { cout 当前线程ID: this_thread::get_id() , 没有得到互斥锁所有权... endl; // 模拟处理其他任务用了一定的时长 this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(50)); } } } int main() { thread t1(work); thread t2(work); t1.join(); t2.join(); return 0; }示例代码输出的结果当前线程ID: 125776, 得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 没有得到互斥锁所有权... 当前线程ID: 112324, 得到互斥锁所有权...在上面的例子中通过一个while循环不停的去获取超时互斥锁的所有权如果得不到就阻塞1秒钟1秒之后如果还是得不到阻塞50毫秒然后再次继续尝试直到获得互斥锁的所有权跳出循环体。关于递归超时互斥锁std::recursive_timed_mutex的使用方式和std::timed_mutex是一样的只不过它可以允许一个线程多次获得互斥锁所有权而std::timed_mutex只允许线程获取一次互斥锁所有权。另外递归超时互斥锁std::recursive_timed_mutex也拥有和std::recursive_mutex一样的弊端不建议频繁使用。