0x00 前言

下面是我从C++11之多线程(二、互斥对象和锁）上找的一段代码

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std::set<int> int_set;
auto f = [&int_set]() {
    try {
        std::random_device rd;
        std::mt19937 gen(rd());
        std::uniform_int_distribution<> dis(1, 1000);
        for(std::size_t i = 0; i != 100000; ++i) {
            int_set.insert(dis(gen));
        }
    } catch(...) {}
};
std::thread td1(f), td2(f);
td1.join();
td2.join();

由于std::set::insert不是多线程安全的，多个线程同时对同一个对象调用insert其行为是未定义的(通常导致的结果是程序崩溃)。因此需要一种机制在此处对多个线程进行同步，保证任一时刻至多有一个线程在调用insert函数。

0x01 锁的使用

下面的这段代码，是我在上一篇博客中所写的多线程中进行异常处理的一种方式，就是把所有的异常全部放在一个vector里面，我们需要确保在同一时刻只有一个线程对vector进行插入操作，所以我们必须为其加上一个锁，锁这个东西，依据我个人的理解，是一种互斥关系，有一个线程创建了这个互斥关系，那么当第二个线程再去创建同样的互斥关系的时候就会受到阻塞，就需要等待当前持有锁的线程来解锁，然后继续访问临界资源。

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

std::vector<std::exception> exptr;
std::mutex mut;

void func()
{
	// 加锁
	std::lock_guard<std::mutex> lock(mut);
	exptr.push_back(std::exception{ "ERROR!" });
}

int main()
{
	std::thread thd1(func);
	thd1.detach();
	std::thread thd2(func);
	thd2.detach();
	for(auto & e : exptr)
	{
		std::cout << e.what() << std::endl;
	}
	system("pause");
    return 0;
}

通过上面的代码来简单介绍一下锁的使用，在C++11中的mutex头文件中定义了四种锁：

  • mutex：提供了核心的 lock() 和unlock() 方法，用来加解锁，以及当 mutex 不可用时就会返回的非阻塞方法 try_lock()
  • recursive_mutex：依据名字可以看出这是递归锁，就是允许同一个线程对锁进行多重持有，多用于线程函数需要进行递归操作的情况
  • timed_mutex：时间锁，可以使用函数try_lock_for()和try_lock_until()来在特定的时长内持有mutex或持有锁到某个特定的时间点
  • recursive_timed_mutex：recursive_mutex 和 timed_mutex 的结合

0x02 std::mutex的使用

通过两个程序来演示一下用锁和不用锁的区别：

不用锁的情况：

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

void fun()
{
	std::cout << "Enter thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(rand() % 1000));
	std::cout << "Exit thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
}

int main()
{
	srand(time(nullptr));
	std::thread t1(fun);
	std::thread t2(fun);
	std::thread t3(fun);
	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	system("pause");
	return 0;
}

程序输出：

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Enter thread: 9012
Enter thread: 19044
Enter thread: 20336
Exit thread: 9012
Exit thread: 19044
Exit thread: 20336

使用锁的情况：

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

std::mutex mtx;

void fun()
{
	mtx.lock();
	std::cout << "Enter thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(rand() % 1000));
	std::cout << "Exit thread: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
	mtx.unlock();
}

int main()
{
	srand(time(nullptr));
	std::thread t1(fun);
	std::thread t2(fun);
	std::thread t3(fun);
	t1.join();
	t2.join();
	t3.join();
	system("pause");
	return 0;
}

程序输出：

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Enter thread: 18484
Exit thread: 18484
Enter thread: 12256
Exit thread: 12256
Enter thread: 18572
Exit thread: 18572

通过使用锁的示例我们可以看到，使用锁之后其他线程必需在等待锁释放之后才能调用线程函数，否则线程函数就一直处于阻塞状态。当占有锁的线程释放锁的时候，其他线程才有可能进入临界区。

如果将锁的定义放在线程函数fun()里面会怎么样呢？

如果将锁的定义放在线程函数fun()里面会怎么样呢？通过试验我们得知，如果将锁的定义放在线程函数里面的话，程序的输出结果会和不使用锁的情况是一样的。这是为什么呢，因为三个线程创建了三把锁，三把不一样的锁，然后各自加锁各自解锁，互不干涉。反观在全局变量中使用锁的情况，三个线程使用了同一把锁，所以才能正确地锁住线程。

0x03 递归锁recursive_mutex

在我想这个递归锁的使用示例的时候，为了比较递归锁和普通mutex的区别，我设计了一个求斐波那契数列的算法，所编制的代码如下：

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

std::mutex mtx;
std::set<int> g_vecFib;

int Fibonacci(int n) 
{
	mtx.lock();
	int ret{ n <= 1 ? n : Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2) };
	g_vecFib.insert(ret);
	mtx.unlock();
	return ret;
}

int main()
{
	srand(time(nullptr));
	std::thread thd(Fibonacci, 10);
	thd.join();
	for (auto i : g_vecFib)
		std::cout << i << std::endl;
	system("pause");
	return 0;
}

这个程序没有使用递归锁，所以在运行的时候会抛出异常，因为递归后的程序无法拿到锁，只需要将锁的定义从std::mutex mtx;改为std::recursive_mutex mtx;后程序即可不抛出异常，但是在写完这个程序之后，引发了我的深思，就是这个程序为什么需要锁，我一直找不到一个合适的理由，可能是仅仅将其作为一个介绍递归锁的一个实例罢了，同时我考虑了一种情况就是分配两个线程出来，第一个线程来求区间[0-10]以内的数列，第二个线程用来求区间[11-20]内的数列，但是这样做是毫无意义的，首先第二个线程必需依赖第一个线程所产生数列的结果，也就是说第二个线程必需等待第一个线程结束后，才能从set集合中取出用于求数列的充分条件，这样的设计显然是毫无意义的，至少我是这么认为的。

看到了网上的一篇有关递归锁介绍的文章，感觉他给出的示例代码的确很不错：

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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。

另注意：

  • 递归锁效率低于普通锁
  • 需要用到递归锁定的多线程互斥处理往往本身就是可以简化的，允许递归互斥很容易放纵复杂逻辑的产生，从而导致一些多线程同步引起的晦涩问题；
  • 递归锁虽然允许同一线程多次获得同一互斥量，但是可重复获得的最大次数并未具体说明，一旦超过一定次数，再对lock进行调用就会抛出std::system错误

0x04 时间锁std::timed_mutex和recursive_timed_mutex

时间锁是用来指定锁住一定的时间段或直到一个时间点解锁。提供了两个函数try_lock_for和try_lock_until，用来设置时间，下面是一段示例代码，摘抄自深入应用C++11之多线程：

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std::timed_mutex;
void work()
{
	std::chrono::milliseconds timeout(1000);
    while(true)
    {
    	if(mutex.try_lock_for(timeout))
    	{
      	  //do some work
          mutex.unlock();
      	}
    }
}

try_lock_for是设置一个超时时间，try_lock_until是设置一个超时的时间点

0x05 RAII风格的加锁(互斥对象管理类模板)

0x00 什么是RAII

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）,也称直译为“资源获取就是初始化”，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的机制。 C++标准保证任何情况下，已构造的对象最终会销毁，即它的析构函数最终会被调用。RAII 机制就是利用了C++的上述特性,在需要获取使用资源RES的时候，构造一个临时对象(T)，在其构造T时获取资源，在T生命期控制对RES的访问使之始终保持有效，最后在T析构的时候释放资源。以达到安全管理资源对象，避免资源泄漏的目的。

0x01 std::lock_guard

显式的加锁和解锁会导致一些问题，比如忘记解锁或者请求加锁的顺序不正确，进而产生死锁。std::lock_guard就是基于RAII原则开发的一套模板，在它的构造函数里面会调用锁的lock函数从而实现加锁，当出了他的定义域之后C++就会自动调用他的析构函数，在它的析构函数中会自动调用unlock函数进行解锁，下面来看一个用上面求斐波那契数列的例子改造过来的使用std::lock_guard的例子

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std::recursive_mutex mtx;
std::set<int> g_vecFib;

int Fibonacci(int n) 
{
	std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mtx);
	int ret{ n <= 1 ? n : Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2) };
	g_vecFib.insert(ret);
	return ret;
}

0x02 std::unique_lock

std::unique_lock里面实现了try_lock_for和try_lock_until两个函数，用来设置时间锁。

0x03 互斥对象管理类模板的加锁策略

上面提到的std::lock_guard和std::unique_lock对于在构造的过程中是否加锁是可选的设置，C++提供了三种加锁的策略：

策略 描述
默认 请求锁，阻塞当前线程知道成功获得锁
std::defer_lock 不请求锁
std::try_to_lock 尝试请求锁，但不阻塞线程，锁不可用时也会立即返回
std::adopt_lock 假定当前线程已经得到了锁，所以不再请求锁

各类模板的策略支持性

策略 std::lock_guard std::unique_lock
默认 支持 支持
std::defer_lock 不支持 支持
std::try_to_lock 不支持 支持
std::adopt_lock 支持 支持

可以通过指定构造函数的第二个参数来设置加锁策略，例如：

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std::unique_lock<std::mutex> lock(mt, std::defer_lock);

0x06 对所有的互斥量均不能使用const关键字

一个互斥量（不管使用的哪一种实现）必须要获取和释放,这就意味着要调用非const的lock()和unlock()方法。所以从逻辑上来讲，lock_guard的参数不能使const（因为如果该方法为const，互斥量也必需是const）。同样在类里面也不能在const函数中使用lock_guard

0x07 std::lock与std::try_lock

这个函数一般用于对多个互斥对象进行加锁的情况，现在考虑下面一段代码：

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

std::mutex mtx1;
std::mutex mtx2;

int main()
{
	std::thread thd1([]()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lock1(mtx1);
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
		std::lock_guard<std::mutex> lock2(mtx2);
		std::cout << "Fun1 ended" << std::endl;
	});
	std::thread thd2([]()
	{
		std::lock_guard<std::mutex> lock2(mtx2);
		std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
		std::lock_guard<std::mutex> lock1(mtx1);
		std::cout << "Fun2 ended" << std::endl;
	});
	thd1.detach();
	thd2.detach();

	system("pause");
	return 0;
}

使用Visual Studio 2017来编译执行上述代码，发生以下异常：

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0061

依据程序的输出f:\dd\vctools\crt\crtw32\stdcpp\thr\mutex.c(51): mutex destroyed while busy，我们可以得知发生了死锁，为什么会发生这种现象呢？

在两个线程函数中会以相反的顺序去获得mtx1和mtx2两把锁，现在来考虑这种情况，线程1运行第一行代码拿到了锁1，恰好这个时候，线程2也运行到第一行代码拿到了锁2，现在，来看看当前2个线程的状态

  • 线程1持有锁1，等待锁2
  • 线程2持有锁2，等待锁1

发生了死锁，在上面的例子中因为我要明显的看到发生死锁然后抛出异常的例子，所以我在代码里面加上了std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));让线程拿到锁之后休息一下，这样就大大提升了发生死锁的概率，如果去掉这行代码，发生死锁的现象将会是一个带有一定概率的事件，有时候会发生有时候不会发生。

为了避免这种死锁，可以采取以下两种措施

  • 对于任意两把锁，在加锁的时候保持前后顺序的一致（不推荐），如果是这样的话，两个线程函数将被修改为如下形式：

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    std::thread thd1([]()
    {
    	std::lock_guard<std::mutex> lock1(mtx1);
    	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    	std::lock_guard<std::mutex> lock2(mtx2);
    	std::cout << "Fun1 ended" << std::endl;
    });
    std::thread thd2([]()
    {
    	std::lock_guard<std::mutex> lock1(mtx1);	// 保持相同的加锁顺序
    	std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    	std::lock_guard<std::mutex> lock2(mtx2);
    	std::cout << "Fun2 ended" << std::endl;
    });

    下面我们来看一下程序输出：

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    没有异常现象的发生

  • 使用std::lock来进行加锁，std::lock会使用一种避免死锁的算法来对N个需要加锁的对象加锁，std::lock可以接受N个参数

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

    std::mutex mtx1;
    std::mutex mtx2;

    int main()
    {
    	std::thread thd1([]()
    	{
    		std::unique_lock<std::mutex> lock1(mtx1, std::defer_lock);
    		std::unique_lock<std::mutex> lock2(mtx2, std::defer_lock);
    		std::lock(lock1, lock2);
    		std::cout << "Fun1 ended" << std::endl;
    	});
    	std::thread thd2([]()
    	{
    		std::unique_lock<std::mutex> lock2(mtx2, std::defer_lock);
    		std::unique_lock<std::mutex> lock1(mtx1, std::defer_lock);
    		std::lock(lock2, lock1);
    		std::cout << "Fun2 ended" << std::endl;
    	});
    	thd1.detach();
    	thd2.detach();

    	system("pause");
    	return 0;
    }

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0x0 参考文献

C++11之多线程(二、互斥对象和锁）

深入应用C++11之多线程

C++11实现模板化(通用化)RAII机制