C++多線程中的互斥鎖

作者：AI讓生活更美好 2024-06-24 08:10:00

開發

C++標準庫提供了多種類型的互斥鎖，每種鎖都有其特定的用途和特點。選擇合適的互斥鎖類型可以有效提高程序的并發性能和安全性。

在多線程編程中，互斥鎖（mutex）是確保線程安全、避免數據競爭的重要工具。C++標準庫提供了多種互斥鎖，每種都有其特定的應用場景和特點。

主要有以下幾種互斥鎖（Mutex）：

std::mutex：最基本的互斥鎖，用于保護臨界區，確保同一時間只有一個線程可以訪問被保護的資源。
std::timed_mutex：支持超時機制的互斥鎖，可以嘗試在給定時間內鎖定互斥鎖。如果在指定時間內沒有成功獲取鎖，則返回失敗。
std::recursive_mutex：遞歸互斥鎖，同一線程可以多次獲取鎖而不會發生死鎖，通常用于遞歸函數中。
std::recursive_timed_mutex：支持超時機制的遞歸互斥鎖，結合了遞歸鎖和超時鎖的特性。
std::shared_mutex（C++17 引入）：允許多個線程同時讀取，但只有一個線程可以寫入。適用于讀多寫少的場景。
std::shared_timed_mutex（C++17 引入）：支持超時機制的共享互斥鎖，可以在給定時間內嘗試獲取讀鎖或寫鎖。

這些是C++標準庫中提供的幾種主要的互斥鎖類型。每種鎖都有其特定的應用場景和使用方法，選擇合適的互斥鎖類型對于實現高效、安全的多線程程序非常重要。

一、基本互斥鎖（std::mutex）

std::mutex是最基本的互斥鎖，主要用于保護臨界區，確保同一時間只有一個線程可以訪問共享資源。

特點：

簡單易用，適用于大多數場景。
不能遞歸鎖定，同一線程多次嘗試鎖定會導致死鎖。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void print_thread_id(int id) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自動管理鎖的獲取和釋放
    std::cout << "Thread ID: " << id << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(print_thread_id, 1);
    std::thread t2(print_thread_id, 2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

二、帶超時機制的互斥鎖（std::timed_mutex）

std::timed_mutex在std::mutex的基礎上增加了超時功能，允許線程在指定時間內嘗試獲取鎖，如果在超時時間內未成功獲取鎖，則返回失敗。

特點：

適用于需要設置鎖獲取超時時間的場景。
提供try_lock_for和try_lock_until兩種超時嘗試獲取鎖的方法。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>

std::timed_mutex tmtx;

void try_to_lock(int id) {
    if(tmtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
        std::cout << "Thread " << id << " locked the mutex" << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));
        tmtx.unlock();
    } else {
        std::cout << "Thread " << id << " could not lock the mutex" << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(try_to_lock, 1);
    std::thread t2(try_to_lock, 2);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

三、遞歸互斥鎖（std::recursive_mutex）

std::recursive_mutex允許同一線程多次獲取鎖而不會發生死鎖，這對于遞歸函數或需要多次鎖定的場景非常有用。

特點：

適用于遞歸調用和需要多次鎖定的場景。
需要注意避免濫用，因為遞歸鎖的使用會增加鎖定次數的復雜性。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::recursive_mutex rmtx;

void recursive_function(int depth) {
    rmtx.lock();
    std::cout << "Depth: " << depth << std::endl;
    if (depth > 0) {
        recursive_function(depth - 1);
    }
    rmtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t(recursive_function, 5);
    t.join();

    return 0;
}

四、帶超時機制的遞歸互斥鎖（std::recursive_timed_mutex）

std::recursive_timed_mutex結合了std::recursive_mutex和std::timed_mutex的特性，支持遞歸鎖定和超時機制。

特點：

適用于遞歸調用和需要超時機制的場景。
提供超時嘗試獲取遞歸鎖的方法。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>

std::recursive_timed_mutex rtmmtx;

void try_recursive_lock(int id, int depth) {
    if (rtmmtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
        std::cout << "Thread " << id << " locked at depth " << depth << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
        if (depth > 0) {
            try_recursive_lock(id, depth - 1);
        }
        rtmmtx.unlock();
    } else {
        std::cout << "Thread " << id << " could not lock at depth " << depth << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(try_recursive_lock, 1, 3);
    std::thread t2(try_recursive_lock, 2, 3);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

五、共享互斥鎖（std::shared_mutex）

std::shared_mutex允許多個線程同時讀取，但只有一個線程可以寫入。這在讀多寫少的場景下非常有用。

特點：

適用于讀多寫少的場景。
讀操作和寫操作使用不同的鎖定機制。

示例代碼：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>

std::shared_mutex shmtx;

void read_shared(int id) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(shmtx); // 共享鎖
    std::cout << "Thread " << id << " is reading" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}

void write_shared(int id) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(shmtx); // 獨占鎖
    std::cout << "Thread " << id << " is writing" << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
}

int main() {
    std::thread readers[5], writer(write_shared, 1);

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        readers[i] = std::thread(read_shared, i + 2);
    }

    writer.join();
    for (auto& reader : readers) {
        reader.join();
    }

    return 0;
}

六、帶超時機制的共享互斥鎖（std::shared_timed_mutex）

std::shared_timed_mutex結合了std::shared_mutex和std::timed_mutex的特性，支持超時機制。

特點：

適用于讀多寫少且需要超時機制的場景。
提供超時嘗試獲取共享鎖的方法。

示例代碼：


#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>
#include <chrono>

std::shared_timed_mutex shtmmtx;

void try_read_shared(int id) {
    if (shtmmtx.try_lock_shared_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
        std::cout << "Thread " << id << " is reading" << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
        shtmmtx.unlock_shared();
    } else {
        std::cout << "Thread " << id << " could not read" << std::endl;
    }
}

void try_write_shared(int id) {
    if (shtmmtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {
        std::cout << "Thread " << id << " is writing" << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
        shtmmtx.unlock();
    } else {
        std::cout << "Thread " << id << " could not write" << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread readers[5], writer(try_write_shared, 1);

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        readers[i] = std::thread(try_read_shared, i + 2);
    }

    writer.join();
    for (auto& reader : readers) {
        reader.join();
    }

    return 0;
}

總結

C++標準庫提供了多種類型的互斥鎖，每種鎖都有其特定的用途和特點。選擇合適的互斥鎖類型可以有效提高程序的并發性能和安全性。

責任編輯：趙寧寧來源： AI讓生活更美好

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