线程同步
- 互斥锁(互斥量)
- 条件变量
- 生产/消费者模型
一、互斥锁
C++11提供了四种互斥锁：
- mutex：互斥锁。
- timed_mutex：带超时机制的互斥锁。
- recursive_mutex：递归互斥锁。
- recursive_timed_mutex：带超时机制的递归互斥锁。
包含头文件：#include <mutex>
1、mutex类
1）加锁lock()
互斥锁有锁定和未锁定两种状态。
如果互斥锁是未锁定状态，调用lock()成员函数的线程会得到互斥锁的所有权，并将其上锁。
如果互斥锁是锁定状态，调用lock()成员函数的线程就会阻塞等待，直到互斥锁变成未锁定状态。
2）解锁unlock()
只有持有锁的线程才能解锁。
lock和unlock至少满足95%的应用场景！
3）尝试加锁try_lock()
如果互斥锁是未锁定状态，则加锁成功，函数返回true。
如果互斥锁是锁定状态，则加锁失败，函数立即返回false。（线程不会阻塞等待）
2、timed_mutex类
增加了两个成员函数：
bool try_lock_for(时间长度);
bool try_lock_until(时间点);
3、recursive_mutex类
递归互斥锁允许同一线程多次获得互斥锁，可以解决同一线程多次加锁造成的死锁问题。
4、lock_guard类
lock_guard是模板类，可以简化互斥锁的使用，也更安全。
lock_guard的定义如下：
template<class Mutex>
class lock_guard
{
explicit lock_guard(Mutex& mtx);
}lock_guard在构造函数中加锁，在析构函数中解锁。
lock_guard采用了RAII思想（在类构造函数中分配资源，在析构函数中释放资源，保证资源在离开作用域时自动释放）。
二、条件变量-生产消费者模型
条件变量
- 当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。
- 为了保护共享资源，条件变量需要和互斥锁结合一起使用
- 生产/消费者模型(高速缓存队列)
条件变量是一种线程同步机制。当条件不满足时，相关线程被一直阻塞，直到某种条件出现，这些线程才会被唤醒。
C++11的条件变量提供了两个类：
condition_variable：只支持与普通mutex搭配，效率更高。
condition_variable_any：是一种通用的条件变量，可以与任意mutex搭配（包括用户自定义的锁类型）。
包含头文件：<condition_variable>
1、condition_variable类
主要成员函数：
1）condition_variable() 默认构造函数。
2）condition_variable(const condition_variable &)=delete 禁止拷贝。
3）condition_variable& condition_variable::operator=(const condition_variable &)=delete 禁止赋值。
4）notify_one() 通知一个等待的线程。
5）notify_all() 通知全部等待的线程。
6）wait(unique_lock<mutex> lock) 阻塞当前线程，直到通知到达。
7）wait(unique_lock<mutex> lock,Pred pred) 循环的阻塞当前线程，直到通知到达且谓词满足。
8）wait_for(unique_lock<mutex> lock,时间长度)
9）wait_for(unique_lock<mutex> lock,时间长度,Pred pred)
10）wait_until(unique_lock<mutex> lock,时间点)
11）wait_until(unique_lock<mutex> lock,时间点,Pred pred)
重点（wait(mutex)函数）：
wait(mutex)做了三件事：
-
把互斥锁解锁。
-
阻塞，等待被唤醒。
-
被唤醒后，给互斥锁加锁。
2、unique_lock类
template <class Mutex> class unique_lock是模板类，模板参数为互斥锁类型。
unique_lock和lock_guard都是管理锁的辅助类，都是RAII风格（在构造时获得锁，在析构时释放锁）。它们的区别在于：为了配合condition_variable，unique_lock还有lock()和unlock()成员函数。
生产者消费者模型类示例：
#include <iostream>
#include <string>
#include <thread> // 线程类头文件。
#include <mutex> // 互斥锁类的头文件。
#include <deque> // deque容器的头文件。
#include <queue> // queue容器的头文件。
#include <condition_variable> // 条件变量的头文件。
using namespace std;
class AA
{
mutex m_mutex; // 互斥锁。
condition_variable m_cond; // 条件变量。
queue<string, deque<string>> m_q; // 缓存队列，底层容器用deque。
public:
void incache(int num) // 生产数据，num指定数据的个数。
{
lock_guard<mutex> lock(m_mutex); // 申请加锁。
for (int ii=0 ; ii<num ; ii++)
{
static int bh = 1; // 超女编号。
string message = to_string(bh++) + "号超女"; // 拼接出一个数据。
m_q.push(message); // 把生产出来的数据入队。
}
//m_cond.notify_one(); // 唤醒一个被当前条件变量阻塞的线程。
m_cond.notify_all(); // 唤醒全部被当前条件变量阻塞的线程。
}
void outcache() { // 消费者线程任务函数。
while (true) {
// 把互斥锁转换成unique_lock<mutex>，并申请加锁。
unique_lock<mutex> lock(m_mutex);
// 条件变量虚假唤醒：消费者线程被唤醒后，缓存队列中没有数据。
//while (m_q.empty()) // 如果队列空，进入循环，否则直接处理数据。必须用循环，不能用if
// m_cond.wait(lock); // 1）把互斥锁解开；2）阻塞，等待被唤醒；3）给互斥锁加锁。
m_cond.wait(lock, [this] { return !m_q.empty(); });
// 数据元素出队。
string message = m_q.front(); m_q.pop();
cout << "线程：" << this_thread::get_id() << "，" << message << endl;
lock.unlock(); // 手工解锁。
// 处理出队的数据（把数据消费掉）。
this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(1)); // 假设处理数据需要1毫秒。
}
}
};
int main()
{
AA aa;
thread t1(&AA::outcache, &aa); // 创建消费者线程t1。
thread t2(&AA::outcache, &aa); // 创建消费者线程t2。
thread t3(&AA::outcache, &aa); // 创建消费者线程t3。
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(2)); // 休眠2秒。
aa.incache(2); // 生产2个数据。
this_thread::sleep_for(chrono::seconds(3)); // 休眠3秒。
aa.incache(5); // 生产5个数据。
t1.join(); // 回收子线程的资源。
t2.join();
t3.join();
}流程：
- 程序运行，因为wait把互斥锁解开了，所以三个消费者都能加锁成功，现在wait到了第二步，三个线程都被阻塞在条件变量的wait()函数中，此时互斥锁没有被任何线程占有；
- 生产者往队列中放完数据后，会发出条件信号；
- wait()函数接收到i先弄好之后，不一定立即返回，他还要申请加锁，加锁成功后才会返回；
- 如果wait()返回了，一定申请到了锁，接下来可以让队列中的数据出队，出对后再解锁。
消费者线程中的while(m_q.empty())循环：
条件变量存在虚假唤醒的情况：消费者线程被唤醒后，缓存队列中没有数据（三个消费者线程，一次生产两个数据，然后notifyall，全部唤醒，肯定有一个线程拿不到数据，被虚假唤醒了）。如果被虚假唤醒了应该继续等待下一次通知，所以用if肯定不行，必须用while。
也可以用wait(unique_lock<mutex> lock,Pred pred) 版本，添加一个谓词：
m_cond.wait(lock, [this] { return !m_q.empty(); });效果是一样的，本质上这个重载的wait函数中也有个while循环。
标签：加锁,lock,互斥,同步,线程,mutex,wait From： https://blog.csdn.net/weixin_56520780/article/details/143265387