C++之锁

背景

在C++多线程编程中，锁是一种常用的同步原语，用于保护共享数据的访问。C++标准库提供了多种锁类型，适用于不同的使用场景。在这篇博客中，我们将介绍C++中的各种锁类型，比较它们的特点，并探讨不同锁在实际应用中的使用场景。

std::mutex

std::mutex是C++标准库中最基本的互斥锁类型，它提供了基本的锁定和解锁操作。std::mutex适用于保护简单的共享数据，如整数、指针等。

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

std::mutex mtx;
int shared_data = 0;

void increment() {
    mtx.lock();
    ++shared_data;
    mtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl;
    return 0;
}

std::recursive_mutex

std::recursive_mutex是一种递归互斥锁，它允许同一个线程多次锁定同一个互斥锁。这种锁适用于需要在递归函数中保护共享数据的场景。

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

std::recursive_mutex rmtx;
int shared_data = 0;

void recursive_increment(int depth) {
    if (depth <= 0) return;

    rmtx.lock();
    ++shared_data;
    recursive_increment(depth - 1);
    rmtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(recursive_increment, 3);
    std::thread t2(recursive_increment, 3);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl;
    return 0;
}

std::timed_mutex

std::timed_mutex是一种带超时的互斥锁，它提供了尝试加锁一定时间的功能。这种锁适用于需要在超时后执行其他操作的场景。

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

std::timed_mutex tmtx;
int shared_data = 0;

void timed_increment() {
    if (tmtx.try_lock_for(std::chrono::seconds(1))) {
        ++shared_data;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        tmtx.unlock();
    } else {
        std::cout << "Timeout, could not lock mutex." << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(timed_increment);
    std::thread t2(timed_increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Shared data: " << shared_data << std::endl;
    return 0;
}

std::shared_mutex / std::shared_timed_mutex

std::shared_mutex和std::shared_timed_mutex是一种读写锁，它们允许多个线程同时读取共享数据，但在写入数据时只允许一个线程访问。这种锁适用于读操作远多于写操作的场景。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>
#include <vector>

std::shared_mutex smtx;
int shared_data = 0;

void read_data() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(smtx);
    std::cout << "Read data: " << shared_data << std::endl;
}

void write_data(int value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(smtx);
    shared_data = value;
    std::cout << "Write data: " << shared_data << std::endl;
}

int main() {
std::vector<std::thread> readers;
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    readers.push_back(std::thread(read_data));
}

std::thread writer(write_data, 42);

for (auto& t : readers) {
    t.join();
}
writer.join();

return 0;
}

各种锁的比较与使用场景

• std::mutex：基本的互斥锁，适用于简单共享数据的保护。
• std::recursive_mutex：递归互斥锁，适用于需要在递归函数中保护共享数据的场景。
• std::timed_mutex：带超时的互斥锁，适用于需要在超时后执行其他操作的场景。
• std::shared_mutex / std::shared_timed_mutex：读写锁，适用于读操作远多于写操作的场景。

最后

总结一下，在这篇博客中，我们介绍了C++中的各种锁类型，比较了它们的特点，并探讨了不同锁在实际应用中的使用场景。通过合理地选择和使用锁，我们可以有效地保护共享数据，确保多线程程序的正确性和稳定性。在进行多线程编程时，我们需要了解各种锁的特点和适用场景，以便在不同场合选择合适的锁来保护共享数据。