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_guardstd::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_flagstd::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。

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