C++11 并发指南之Lock 详解

2023-08-02 01:47:04 81

在《C++11并发指南三(std::mutex详解)》一文中我们主要介绍了C++11标准中的互斥量(Mutex)，并简单介绍了一下两种锁类型。本节将详细介绍一下C++11标准的锁类型。

C++11标准为我们提供了两种基本的锁类型，分别如下：

std::lock_guard，与MutexRAII相关，方便线程对互斥量上锁。
std::unique_lock，与MutexRAII相关，方便线程对互斥量上锁，但提供了更好的上锁和解锁控制。

另外还提供了几个与锁类型相关的Tag类，分别如下:

std::adopt_lock_t，一个空的标记类，定义如下：

structadopt_lock_t{};

该类型的常量对象adopt_lock（adopt_lock是一个常量对象，定义如下：

constexpradopt_lock_tadopt_lock{};，//constexpr是C++11中的新关键字）

通常作为参数传入给unique_lock或lock_guard的构造函数。

std::defer_lock_t，一个空的标记类，定义如下：

structdefer_lock_t{};

该类型的常量对象defer_lock（defer_lock是一个常量对象，定义如下：

constexprdefer_lock_tdefer_lock{};，//constexpr是C++11中的新关键字）

通常作为参数传入给unique_lock或lock_guard的构造函数。

std::try_to_lock_t，一个空的标记类，定义如下：

structtry_to_lock_t{};

该类型的常量对象try_to_lock（try_to_lock是一个常量对象，定义如下：

constexprtry_to_lock_ttry_to_lock{};，//constexpr是C++11中的新关键字）

通常作为参数传入给unique_lock或lock_guard的构造函数。后面我们会详细介绍以上三种Tag类型在配合lock_gurad与unique_lock使用时的区别。

std::lock_guard介绍

std::lock_gurad是C++11中定义的模板类。定义如下：

templateclasslock_guard;

lock_guard对象通常用于管理某个锁(Lock)对象，因此与MutexRAII相关，方便线程对互斥量上锁，即在某个lock_guard对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而lock_guard的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁(注：类似shared_ptr等智能指针管理动态分配的内存资源)。

模板参数Mutex代表互斥量类型，例如std::mutex类型，它应该是一个基本的BasicLockable类型，标准库中定义几种基本的BasicLockable类型，分别std::mutex,std::recursive_mutex,std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex(以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及std::unique_lock(本文后续会介绍std::unique_lock)。(注：BasicLockable类型的对象只需满足两种操作，lock和unlock，另外还有Lockable类型，在BasicLockable类型的基础上新增了try_lock操作，因此一个满足Lockable的对象应支持三种操作：lock，unlock和try_lock；最后还有一种TimedLockable对象，在Lockable类型的基础上又新增了try_lock_for和try_lock_until两种操作，因此一个满足TimedLockable的对象应支持五种操作：lock,unlock,try_lock,try_lock_for,try_lock_until)。

在lock_guard对象构造时，传入的Mutex对象(即它所管理的Mutex对象)会被当前线程锁住。在lock_guard对象被析构时，它所管理的Mutex对象会自动解锁，由于不需要程序员手动调用lock和unlock对Mutex进行上锁和解锁操作，因此这也是最简单安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的Mutex对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与Mutex相关的异常处理代码。

值得注意的是，lock_guard对象并不负责管理Mutex对象的生命周期，lock_guard对象只是简化了Mutex对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个lock_guard对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而lock_guard的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁。

std::lock_guard构造函数

lock_guard构造函数如下表所示：

locking(1)

explicitlock_guard(mutex_type&m);

adopting(2)

lock_guard(mutex_type&m,adopt_lock_ttag);

copy[deleted](3)

lock_guard(constlock_guard&)=delete;

locking初始化
lock_guard对象管理Mutex对象m，并在构造时对m进行上锁（调用m.lock()）。

adopting初始化
lock_guard对象管理Mutex对象m，与locking初始化(1)不同的是，Mutex对象m已被当前线程锁住。

拷贝构造
lock_guard对象的拷贝构造和移动构造(moveconstruction)均被禁用，因此lock_guard对象不可被拷贝构造或移动构造。

我们来看一个简单的例子(参考)：

#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::lock_guard,std::adopt_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_thread_id(intid){
mtx.lock();
std::lock_guardlck(mtx,std::adopt_lock);
std::cout<<"thread#"<
在print_thread_id中，我们首先对mtx进行上锁操作(mtx.lock();)，然后用mtx对象构造一个lock_guard对象(std::lock_guardlck(mtx,std::adopt_lock);)，注意此时Tag参数为std::adopt_lock，表明当前线程已经获得了锁，此后mtx对象的解锁操作交由lock_guard对象lck来管理，在lck的生命周期结束之后，mtx对象会自动解锁。lock_guard最大的特点就是安全易于使用，请看下面例子(参考)，在异常抛出的时候通过lock_guard对象管理的Mutex可以得到正确地解锁。
#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::lock_guard
#include//std::logic_error

std::mutexmtx;

voidprint_even(intx){
if(x%2==0)std::cout<lck(mtx);
print_even(id);
}
catch(std::logic_error&){
std::cout<<"[exceptioncaught]\n";
}
}

intmain()
{
std::threadthreads[10];
//spawn10threads:
for(inti=0;i<10;++i)
threads[i]=std::thread(print_thread_id,i+1);

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

return0;
}

std::unique_lock介绍


但是lock_guard最大的缺点也是简单，没有给程序员提供足够的灵活度，因此，C++11标准中定义了另外一个与MutexRAII相关类unique_lock，该类与lock_guard类相似，也很方便线程对互斥量上锁，但它提供了更好的上锁和解锁控制。
顾名思义，unique_lock对象以独占所有权的方式（uniqueowership）管理mutex对象的上锁和解锁操作，所谓独占所有权，就是没有其他的unique_lock对象同时拥有某个mutex对象的所有权。
在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock对象需要传递一个Mutex对象作为它的参数，新创建的unique_lock对象负责传入的Mutex对象的上锁和解锁操作。
std::unique_lock对象也能保证在其自身析构时它所管理的Mutex对象能够被正确地解锁（即使没有显式地调用unlock函数）。因此，和lock_guard一样，这也是一种简单而又安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的Mutex对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与Mutex相关的异常处理代码。
值得注意的是，unique_lock对象同样也不负责管理Mutex对象的生命周期，unique_lock对象只是简化了Mutex对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个unique_lock对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而unique_lock的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁，这一点和lock_guard类似，但unique_lock给程序员提供了更多的自由，我会在下面的内容中给大家介绍unique_lock的用法。
另外，与lock_guard一样，模板参数Mutex代表互斥量类型，例如std::mutex类型，它应该是一个基本的BasicLockable类型，标准库中定义几种基本的BasicLockable类型，分别std::mutex,std::recursive_mutex,std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex(以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及std::unique_lock(本文后续会介绍std::unique_lock)。(注：BasicLockable类型的对象只需满足两种操作，lock和unlock，另外还有Lockable类型，在BasicLockable类型的基础上新增了try_lock操作，因此一个满足Lockable的对象应支持三种操作：lock，unlock和try_lock；最后还有一种TimedLockable对象，在Lockable类型的基础上又新增了try_lock_for和try_lock_until两种操作，因此一个满足TimedLockable的对象应支持五种操作：lock,unlock,try_lock,try_lock_for,try_lock_until)。
std::unique_lock构造函数


std::unique_lock的构造函数的数目相对来说比std::lock_guard多，其中一方面也是因为std::unique_lock更加灵活，从而在构造std::unique_lock对象时可以接受额外的参数。总地来说，std::unique_lock构造函数如下：




default(1)

unique_lock()noexcept;




locking(2)

explicitunique_lock(mutex_type&m);




try-locking(3)

unique_lock(mutex_type&m,try_to_lock_ttag);




deferred(4)

unique_lock(mutex_type&m,defer_lock_ttag)noexcept;




adopting(5)

unique_lock(mutex_type&m,adopt_lock_ttag);




lockingfor(6)

template
unique_lock(mutex_type&m,constchrono::duration&rel_time);




lockinguntil(7)

template
unique_lock(mutex_type&m,constchrono::time_point&abs_time);




copy[deleted](8)

unique_lock(constunique_lock&)=delete;




move(9)

unique_lock(unique_lock&&x);





下面我们来分别介绍以上各个构造函数：
(1)默认构造函数

新创建的unique_lock对象不管理任何Mutex对象。

(2)locking初始化

新创建的unique_lock对象管理Mutex对象m，并尝试调用m.lock()对Mutex对象进行上锁，如果此时另外某个unique_lock对象已经管理了该Mutex对象m，则当前线程将会被阻塞。

(3)try-locking初始化

新创建的unique_lock对象管理Mutex对象m，并尝试调用m.try_lock()对Mutex对象进行上锁，但如果上锁不成功，并不会阻塞当前线程。

(4)deferred初始化

新创建的unique_lock对象管理Mutex对象m，但是在初始化的时候并不锁住Mutex对象。m应该是一个没有当前线程锁住的Mutex对象。

(5)adopting初始化

新创建的unique_lock对象管理Mutex对象m，m应该是一个已经被当前线程锁住的Mutex对象。(并且当前新创建的unique_lock对象拥有对锁(Lock)的所有权)。

(6)locking一段时间(duration)

新创建的unique_lock对象管理Mutex对象m，并试图通过调用m.try_lock_for(rel_time)来锁住Mutex对象一段时间(rel_time)。

(7)locking直到某个时间点(timepoint)

新创建的unique_lock对象管理Mutex对象m，并试图通过调用m.try_lock_until(abs_time)来在某个时间点(abs_time)之前锁住Mutex对象。

(8)拷贝构造[被禁用]

unique_lock对象不能被拷贝构造。

(9)移动(move)构造

新创建的unique_lock对象获得了由x所管理的Mutex对象的所有权(包括当前Mutex的状态)。调用move构造之后，x对象如同通过默认构造函数所创建的，就不再管理任何Mutex对象了。

综上所述，由(2)和(5)创建的unique_lock对象通常拥有Mutex对象的锁。而通过(1)和(4)创建的则不会拥有锁。通过(3)，(6)和(7)创建的unique_lock对象，则在lock成功时获得锁。
关于unique_lock的构造函数，请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::lock,std::unique_lock
//std::adopt_lock,std::defer_lock
std::mutexfoo,bar;

voidtask_a(){
std::lock(foo,bar);//simultaneouslock(preventsdeadlock)
std::unique_locklck1(foo,std::adopt_lock);
std::unique_locklck2(bar,std::adopt_lock);
std::cout<<"taska\n";
//(unlockedautomaticallyondestructionoflck1andlck2)
}

voidtask_b(){
//foo.lock();bar.lock();//replacedby:
std::unique_locklck1,lck2;
lck1=std::unique_lock(bar,std::defer_lock);
lck2=std::unique_lock(foo,std::defer_lock);
std::lock(lck1,lck2);//simultaneouslock(preventsdeadlock)
std::cout<<"taskb\n";
//(unlockedautomaticallyondestructionoflck1andlck2)
}


intmain()
{
std::threadth1(task_a);
std::threadth2(task_b);

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

return0;
}


std::unique_lock移动(moveassign)赋值操作


std::unique_lock支持移动赋值(moveassignment)，但是普通的赋值被禁用了，






move(1)

unique_lock&operator=(unique_lock&&x)noexcept;




copy[deleted](2)

unique_lock&operator=(constunique_lock&)=delete;





移动赋值(moveassignment)之后，由x所管理的Mutex对象及其状态将会被新的std::unique_lock对象取代。
如果被赋值的对象之前已经获得了它所管理的Mutex对象的锁，则在移动赋值(moveassignment)之前会调用unlock函数释放它所占有的锁。
调用移动赋值(moveassignment)之后，x对象如同通过默认构造函数所创建的，也就不再管理任何Mutex对象了。请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_fifty(charc){
std::unique_locklck;//default-constructed
lck=std::unique_lock(mtx);//move-assigned
for(inti=0;i<50;++i){std::cout<
std::unique_lock主要成员函数


本节我们来看看std::unique_lock的主要成员函数。由于std::unique_lock比std::lock_guard操作灵活，因此它提供了更多成员函数。具体分类如下：

上锁/解锁操作：lock，try_lock，try_lock_for，try_lock_until和unlock
修改操作：移动赋值(moveassignment)(前面已经介绍过了)，交换(swap)（与另一个std::unique_lock对象交换它们所管理的Mutex对象的所有权），释放(release)（返回指向它所管理的Mutex对象的指针，并释放所有权）
获取属性操作：owns_lock（返回当前std::unique_lock对象是否获得了锁）、operatorbool()（与owns_lock功能相同，返回当前std::unique_lock对象是否获得了锁）、mutex（返回当前std::unique_lock对象所管理的Mutex对象的指针）。

std::unique_lock::lock请看下面例子(参考)：
上锁操作，调用它所管理的Mutex对象的lock函数。如果在调用 Mutex对象的lock函数时该Mutex对象已被另一线程锁住，则当前线程会被阻塞，直到它获得了锁。
该函数返回时，当前的unique_lock对象便拥有了它所管理的Mutex对象的锁。如果上锁操作失败，则抛出system_error异常。
//unique_lock::lock/unlock
#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock,std::defer_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_thread_id(intid){
std::unique_locklck(mtx,std::defer_lock);
//criticalsection(exclusiveaccesstostd::coutsignaledbylockinglck):
lck.lock();
std::cout<<"thread#"<
std::unique_lock::try_lock
上锁操作，调用它所管理的Mutex对象的try_lock函数，如果上锁成功，则返回true，否则返回false。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::vector
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock,std::defer_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_star(){
std::unique_locklck(mtx,std::defer_lock);
//print'*'ifsuccessfullylocked,'x'otherwise:
if(lck.try_lock())
std::cout<<'*';
else
std::cout<<'x';
}

intmain()
{
std::vectorthreads;
for(inti=0;i<500;++i)
threads.emplace_back(print_star);

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

return0;
}

std::unique_lock::try_lock_for
上锁操作，调用它所管理的Mutex对象的try_lock_for函数，如果上锁成功，则返回true，否则返回false。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::chrono::milliseconds
#include//std::thread
#include//std::timed_mutex,std::unique_lock,std::defer_lock

std::timed_mutexmtx;

voidfireworks(){
std::unique_locklck(mtx,std::defer_lock);
//waitingtogetalock:eachthreadprints"-"every200ms:
while(!lck.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))){
std::cout<<"-";
}
//gotalock!-waitfor1s,thenthisthreadprints"*"
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
std::cout<<"*\n";
}

intmain()
{
std::threadthreads[10];
//spawn10threads:
for(inti=0;i<10;++i)
threads[i]=std::thread(fireworks);

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

return0;
}

std::unique_lock::try_lock_until
上锁操作，调用它所管理的Mutex对象的try_lock_for函数，如果上锁成功，则返回true，否则返回false。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::chrono::milliseconds
#include//std::thread
#include//std::timed_mutex,std::unique_lock,std::defer_lock

std::timed_mutexmtx;

voidfireworks(){
std::unique_locklck(mtx,std::defer_lock);
//waitingtogetalock:eachthreadprints"-"every200ms:
while(!lck.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))){
std::cout<<"-";
}
//gotalock!-waitfor1s,thenthisthreadprints"*"
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
std::cout<<"*\n";
}

intmain()
{
std::threadthreads[10];
//spawn10threads:
for(inti=0;i<10;++i)
threads[i]=std::thread(fireworks);

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

return0;
}

std::unique_lock::unlock
解锁操作，调用它所管理的Mutex对象的unlock函数。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock,std::defer_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_thread_id(intid){
std::unique_locklck(mtx,std::defer_lock);
//criticalsection(exclusiveaccesstostd::coutsignaledbylockinglck):
lck.lock();
std::cout<<"thread#"<
std::unique_lock::release
返回指向它所管理的Mutex对象的指针，并释放所有权。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::vector
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock

std::mutexmtx;
intcount=0;

voidprint_count_and_unlock(std::mutex*p_mtx){
std::cout<<"count:"<unlock();
}

voidtask(){
std::unique_locklck(mtx);
++count;
print_count_and_unlock(lck.release());
}

intmain()
{
std::vectorthreads;
for(inti=0;i<10;++i)
threads.emplace_back(task);

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

return0;
}


std::unique_lock::owns_lock
返回当前std::unique_lock对象是否获得了锁。
请看下面例子(参考)：


#include//std::cout
#include//std::vector
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock,std::try_to_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_star(){
std::unique_locklck(mtx,std::try_to_lock);
//print'*'ifsuccessfullylocked,'x'otherwise:
if(lck.owns_lock())
std::cout<<'*';
else
std::cout<<'x';
}

intmain()
{
std::vectorthreads;
for(inti=0;i<500;++i)
threads.emplace_back(print_star);

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

return0;
}
std::unique_lock::operatorbool()
与owns_lock功能相同，返回当前std::unique_lock对象是否获得了锁。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::vector
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock,std::try_to_lock

std::mutexmtx;//mutexforcriticalsection

voidprint_star(){
std::unique_locklck(mtx,std::try_to_lock);
//print'*'ifsuccessfullylocked,'x'otherwise:
if(lck)
std::cout<<'*';
else
std::cout<<'x';
}

intmain()
{
std::vectorthreads;
for(inti=0;i<500;++i)
threads.emplace_back(print_star);

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

return0;
}


std::unique_lock::mutex
返回当前std::unique_lock对象所管理的Mutex对象的指针。
请看下面例子(参考)：
#include//std::cout
#include//std::thread
#include//std::mutex,std::unique_lock,std::defer_lock

classMyMutex:publicstd::mutex{
int_id;
public:
MyMutex(intid):_id(id){}
intid(){return_id;}
};

MyMutexmtx(101);

voidprint_ids(intid){
std::unique_locklck(mtx);
std::cout<<"thread#"<id()<<'\n';
}

intmain()
{
std::threadthreads[10];
//spawn10threads:
for(inti=0;i<10;++i)
threads[i]=std::thread(print_ids,i+1);

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

return0;
}


好了，本文先介绍到这里，我们基本上介绍完了C++11多线程编程中两种最基本的锁类型，后面我会继续更新有关C++11并发编程的博客，希望感兴趣的同学继续关注;-)
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持毛票票。
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default(1)	unique_lock()noexcept;
locking(2)	explicitunique_lock(mutex_type&m);
try-locking(3)	unique_lock(mutex_type&m,try_to_lock_ttag);
deferred(4)	unique_lock(mutex_type&m,defer_lock_ttag)noexcept;
adopting(5)	unique_lock(mutex_type&m,adopt_lock_ttag);
lockingfor(6)	template unique_lock(mutex_type&m,constchrono::duration&rel_time);
lockinguntil(7)	template unique_lock(mutex_type&m,constchrono::time_point&abs_time);
copy[deleted](8)	unique_lock(constunique_lock&)=delete;
move(9)	unique_lock(unique_lock&&x);

move(1)	unique_lock&operator=(unique_lock&&x)noexcept;
copy[deleted](2)	unique_lock&operator=(constunique_lock&)=delete;

C++11 并发指南之Lock 详解

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