C++11 並發指南三(std::mutex 詳解)

Mutex 又稱互斥量，C++ 11中與 Mutex 相關的類（包括鎖類型）和函數都聲明在 <mutex> 頭文件中，所以如果你需要使用 std::mutex，就必須包含 <mutex> 頭文件。

<mutex> 頭文件介紹

Mutex 系列類(四種)

std::mutex，最基本的 Mutex 類。
std::recursive_mutex，遞歸 Mutex 類。
std::time_mutex，定時 Mutex 類。
std::recursive_timed_mutex，定時遞歸 Mutex 類。

Lock 類（兩種）

std::lock_guard，與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖。
std::unique_lock，與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖，但提供了更好的上鎖和解鎖控制。

其他類型

std::once_flag
std::adopt_lock_t
std::defer_lock_t
std::try_to_lock_t

函數

std::try_lock，嘗試同時對多個互斥量上鎖。
std::lock，可以同時對多個互斥量上鎖。
std::call_once，如果多個線程需要同時調用某個函數，call_once 可以保證多個線程對該函數只調用一次。

std::mutex 介紹

下面以 std::mutex 為例介紹 C++11 中的互斥量用法。

std::mutex 是C++11 中最基本的互斥量，std::mutex 對象提供了獨占所有權的特性——即不支持遞歸地對 std::mutex 對象上鎖，而 std::recursive_lock 則可以遞歸地對互斥量對象上鎖。

std::mutex 的成員函數

構造函數，std::mutex不允許拷貝構造，也不允許 move 拷貝，最初產生的 mutex 對象是處於 unlocked 狀態的。
lock()，調用線程將鎖住該互斥量。線程調用該函數會發生下面 3 種情況：(1). 如果該互斥量當前沒有被鎖住，則調用線程將該互斥量鎖住，直到調用 unlock之前，該線程一直擁有該鎖。(2). 如果當前互斥量被其他線程鎖住，則當前的調用線程被阻塞住。(3). 如果當前互斥量被當前調用線程鎖住，則會產生死鎖(deadlock)。
unlock()，解鎖，釋放對互斥量的所有權。
try_lock()，嘗試鎖住互斥量，如果互斥量被其他線程占有，則當前線程也不會被阻塞。線程調用該函數也會出現下面 3 種情況，(1). 如果當前互斥量沒有被其他線程占有，則該線程鎖住互斥量，直到該線程調用 unlock 釋放互斥量。(2). 如果當前互斥量被其他線程鎖住，則當前調用線程返回 false，而並不會被阻塞掉。(3). 如果當前互斥量被當前調用線程鎖住，則會產生死鎖(deadlock)。

下面給出一個與 std::mutex 的小例子（參考）

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex

volatile int counter(0); // non-atomic counter
std::mutex mtx;           // locks access to counter

void attempt_10k_increases() {
    for (int i=0; i<10000; ++i) {
        if (mtx.try_lock()) {   // only increase if currently not locked:
            ++counter;
            mtx.unlock();
        }
    }
}

int main (int argc, const char* argv[]) {
    std::thread threads[10];
    for (int i=0; i<10; ++i)
        threads[i] = std::thread(attempt_10k_increases);

    for (auto& th : threads) th.join();
    std::cout << counter << " successful increases of the counter.\n";

    return 0;
}

std::recursive_mutex 介紹

std::recursive_mutex 與 std::mutex 一樣，也是一種可以被上鎖的對象，但是和 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 允許同一個線程對互斥量多次上鎖（即遞歸上鎖），來獲得對互斥量對象的多層所有權，std::recursive_mutex 釋放互斥量時需要調用與該鎖層次深度相同次數的 unlock()，可理解為 lock() 次數和 unlock() 次數相同，除此之外，std::recursive_mutex 的特性和 std::mutex 大致相同。

std::time_mutex 介紹

std::time_mutex 比 std::mutex 多了兩個成員函數，try_lock_for()，try_lock_until()。

try_lock_for 函數接受一個時間范圍，表示在這一段時間范圍之內線程如果沒有獲得鎖則被阻塞住（與 std::mutex 的 try_lock() 不同，try_lock 如果被調用時沒有獲得鎖則直接返回 false），如果在此期間其他線程釋放了鎖，則該線程可以獲得對互斥量的鎖，如果超時（即在指定時間內還是沒有獲得鎖），則返回 false。

try_lock_until 函數則接受一個時間點作為參數，在指定時間點未到來之前線程如果沒有獲得鎖則被阻塞住，如果在此期間其他線程釋放了鎖，則該線程可以獲得對互斥量的鎖，如果超時（即在指定時間內還是沒有獲得鎖），則返回 false。

下面的小例子說明了 std::time_mutex 的用法（參考）。

#include <iostream>       // std::cout
#include <chrono>         // std::chrono::milliseconds
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::timed_mutex

std::timed_mutex mtx;

void fireworks() {
  // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
  while (!mtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) {
    std::cout << "-";
  }
  // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
  std::cout << "*\n";
  mtx.unlock();
}

int main ()
{
  std::thread threads[10];
  // spawn 10 threads:
  for (int i=0; i<10; ++i)
    threads[i] = std::thread(fireworks);

  for (auto& th : threads) th.join();

  return 0;
}

std::recursive_timed_mutex 介紹

和 std:recursive_mutex 與 std::mutex 的關系一樣，std::recursive_timed_mutex 的特性也可以從 std::timed_mutex 推導出來，感興趣的同鞋可以自行查閱。 ;-)

std::lock_guard 介紹

與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖。例子（參考）:

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::lock_guard
#include <stdexcept>      // std::logic_error

std::mutex mtx;

void print_even (int x) {
    if (x%2==0) std::cout << x << " is even\n";
    else throw (std::logic_error("not even"));
}

void print_thread_id (int id) {
    try {
        // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception:
        std::lock_guard<std::mutex> lck (mtx);
        print_even(id);
    }
    catch (std::logic_error&) {
        std::cout << "[exception caught]\n";
    }
}

int main ()
{
    std::thread threads[10];
    // spawn 10 threads:
    for (int i=0; i<10; ++i)
        threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);

    for (auto& th : threads) th.join();

    return 0;
}

std::unique_lock 介紹

與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖，但提供了更好的上鎖和解鎖控制。例子（參考）：

#include <iostream>       // std::cout
#include <thread>         // std::thread
#include <mutex>          // std::mutex, std::unique_lock

std::mutex mtx;           // mutex for critical section

void print_block (int n, char c) {
    // critical section (exclusive access to std::cout signaled by lifetime of lck):
    std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx);
    for (int i=0; i<n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
}

int main ()
{
    std::thread th1 (print_block,50,'*');
    std::thread th2 (print_block,50,'$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

好了，本文暫時講到這里，還剩下 std::try_lock，std::lock，std::call_once 三個函數沒有講到，留在下一篇博客中講吧 ;-)