浅谈C++ 多线程锁处理

一、基本介绍

        在C++中，多线程编程同样需要处理线程安全问题，C++11及更高版本提供了一套标准库来支持多线程编程，包括锁的处理。

二、常见锁处理方式

互斥锁（std::mutex）：

• std::mutex是最基本的锁类型，提供了互斥访问共享资源的能力。
• 它不允许一个线程多次获得锁（即不可重入）。

#include <mutex>
#include <thread>std::mutex mtx;
int shared_data = 0;void increment() {mtx.lock();shared_data++;mtx.unlock();
}

递归互斥锁（std::recursive_mutex）：

• std::recursive_mutex允许同一个线程多次获得锁，这在递归函数调用中非常有用。

#include <mutex>
#include <thread>std::recursive_mutex mtx;
int shared_data = 0;void increment() {mtx.lock();shared_data++;// 可以再次调用 increment() 而不会死锁increment();mtx.unlock();
}

读写锁（std::shared_mutex）：

• C++17引入了std::shared_mutex，它允许多个线程同时读取共享资源，但写入时需要独占访问。

#include <shared_mutex>
#include <thread>std::shared_mutex rw_mutex;
int shared_data = 0;void read() {std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);// 读取 shared_data
}void write(int value) {std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);shared_data = value;
}

条件变量（std::condition_variable）：

• std::condition_variable用于线程间的同步，允许一个线程等待某个条件成立。

#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <thread>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;void worker_thread() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, []{ return ready; });// 执行工作
}void main_thread() {{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);ready = true;}cv.notify_one();
}

原子操作（std::atomic）：

• 对于简单的数据类型，可以使用原子类型std::atomic来保证操作的原子性，而不需要使用锁。

#include <atomic>
#include <thread>std::atomic<int> shared_data(0);void increment() {shared_data++;
}

锁的封装（std::lock_guard 和 std::unique_lock）：

• std::lock_guard和std::unique_lock是RAII（资源获取即初始化）风格的锁封装，它们在构造时自动获取锁，在析构时自动释放锁。

#include <mutex>
#include <thread>std::mutex mtx;void increment() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);shared_data++;
}void long_task() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);// 执行一些任务lock.unlock();// 执行不需要锁的任务
}

一次性初始化（std::once_flag 和 std::call_once）：

• std::once_flag和std::call_once用于确保某个函数或代码块只被执行一次，即使在多线程环境中。

#include <mutex>std::once_flag once_flag;
void (*init_func)() = nullptr;void init() {// 初始化代码
}void do_init() {std::call_once(once_flag, init);
}

三、注意事项

• 避免死锁：确保所有线程获取锁的顺序一致，或者使用try_lock来尝试获取锁。
• 避免活锁：确保线程在等待锁时能够响应其他线程释放锁的信号。
• 锁的粒度：尽量减小锁的范围，以提高性能。
• 锁的持有时间：尽量减少锁持有的时间，以减少等待时间。