C++并发编程 - 互斥锁

在多线程的编程中，共享数据的修改限制是必不可少的环节。期望的是:当一个线程访问共享数据期间，此数据不应该被其他线程修改；当某个线程修改了共享数据，应通知其他线程。

例如，买车票场景: 座位为共享数据，每个用户属于一个访问共享数据的线程，当一个用户开始购买某个座位车票期间，该座位就应该禁止被其他用户购买。从而避免同一个座位同时被两个用户买到。

通常情况下，解决类似并发问题，首先考虑舍弃并发；若迫不得已，互斥量(mutex)是一个很好选择。

互斥锁

互斥量
互斥锁是依赖互斥量实现的。互斥量可简单理解为仅有两种值true或false的信号量。

互斥锁

互斥锁基于互斥量实现，可用于共享数据访问的保护。即当线程访问共享数据时，有如下动作:

• 访问前，判断互斥锁是否已上锁(互斥量是否置为true)。若上锁，说明有其他线程再访问，当前线程阻塞直至互斥锁解锁；若未上锁，当前线程上锁，并访问共享数据。
• 访问后，退出共享数据的访问，并解锁互斥锁。

在Linux C中互斥锁有pthread_mutex_t方法，但是对于C++编程中，更推荐使用lock_guard、unqiue_lock。主要有以下优势:

• 无需考虑互斥量的初始化和销毁，在类的构造和析构函数中管理，无需使用者操心。

• 采用RAII对互斥量进行了不同封装，提供了更方便的上锁机制。

对比pthread_mutex_t，功能都一样，只是使用上更加方便和灵活。毕竟经过c++大佬们深思熟虑设计出来的，如果没有优势，也就不会发布出来。

lock_guard

lock_guard功能与std::mutex的lock与ublock功能相同。 不同的是，lock_guard析构时会自动解锁，使用时无须unlock。这就需要我们将共享资源的访问封装成尽可能小的函数，避免加锁时间过长。

lock_guard类主要源码

template<class _Mutex>
class lock_guard    
{   
public:
    using mutex_type = _Mutex;

    // construct and lock
    explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
        : _MyMutex(_Mtx)
    {
        _MyMutex.lock();
    }

    // construct but don't lock
    lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
        : _MyMutex(_Mtx)
    {   
    }

    // destructor and unlocks
    ~lock_guard() noexcept
    {
        _MyMutex.unlock();
    }

    lock_guard(const lock_guard&) = delete;
    lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;

private:
    _Mutex& _MyMutex;
};

从构造与析构可以看出，lock_guard对象创建时会主动调用lock()加锁，销毁时会主动调用unlock()解锁。

unique_lock

unique_lock比lock_guard更加灵活，但性能不如lock_guard。unique_lock提供lock与unlock，同时析构时也会释放锁。

std::unique_lock 可以在构造时传递第二个参数用于管理互斥量，且能传递不同域中互斥量所有权。

unique_lock类主要源码

template<class _Mutex>
class unique_lock
{   // whizzy class with destructor that unlocks mutex
public:
    typedef unique_lock<_Mutex> _Myt;
    typedef _Mutex mutex_type;
 
    // CONSTRUCT, ASSIGN, AND DESTROY
    unique_lock() _NOEXCEPT
        : _Pmtx(0), _Owns(false)
    {   // default construct
    }
 
    explicit unique_lock(_Mutex& _Mtx)
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
    {   // construct and lock
        _Pmtx->lock();
        _Owns = true;
    }
 
    unique_lock(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(true)
    {   // construct and assume already locked
    }
 
    unique_lock(_Mutex& _Mtx, defer_lock_t) _NOEXCEPT
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
    {   // construct but don't lock
    }
 
    unique_lock(_Mutex& _Mtx, try_to_lock_t)
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock())
    {   // construct and try to lock
    }
 
    template<class _Rep,
        class _Period>
        unique_lock(_Mutex& _Mtx,
            const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock_for(_Rel_time))
    {   // construct and lock with timeout
    }
 
    template<class _Clock,
        class _Duration>
        unique_lock(_Mutex& _Mtx,
            const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time)
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock_until(_Abs_time))
    {   // construct and lock with timeout
    }
 
    unique_lock(_Mutex& _Mtx, const xtime *_Abs_time)
        : _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
    {   // try to lock until _Abs_time
        _Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
    }
 
    unique_lock(unique_lock&& _Other) _NOEXCEPT
        : _Pmtx(_Other._Pmtx), _Owns(_Other._Owns)
    {   // destructive copy
        _Other._Pmtx = 0;
        _Other._Owns = false;
    }
 
    unique_lock& operator=(unique_lock&& _Other)
    {   // destructive copy
        if (this != &_Other)
        {   // different, move contents
            if (_Owns)
                _Pmtx->unlock();
            _Pmtx = _Other._Pmtx;
            _Owns = _Other._Owns;
            _Other._Pmtx = 0;
            _Other._Owns = false;
        }
        return (*this);
    }
 
    ~unique_lock() _NOEXCEPT
    {   // clean up
        if (_Owns)
            _Pmtx->unlock();
    }
 
    unique_lock(const unique_lock&) = delete;
    unique_lock& operator=(const unique_lock&) = delete;
 
    // LOCK AND UNLOCK
    void lock()
    {   // lock the mutex
        _Validate();
        _Pmtx->lock();
        _Owns = true;
    }
 
    bool try_lock()
    {   // try to lock the mutex
        _Validate();
        _Owns = _Pmtx->try_lock();
        return (_Owns);
    }
 
    template<class _Rep,
        class _Period>
        bool try_lock_for(const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
    {   // try to lock mutex for _Rel_time
        _Validate();
        _Owns = _Pmtx->try_lock_for(_Rel_time);
        return (_Owns);
    }
 
    template<class _Clock,
        class _Duration>
        bool try_lock_until(
            const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time)
    {   // try to lock mutex until _Abs_time
        _Validate();
        _Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
        return (_Owns);
    }
 
    bool try_lock_until(const xtime *_Abs_time)
    {   // try to lock the mutex until _Abs_time
        _Validate();
        _Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
        return (_Owns);
    }
 
    void unlock()
    {   // try to unlock the mutex
        if (!_Pmtx || !_Owns)
            _THROW_NCEE(system_error,
                _STD make_error_code(errc::operation_not_permitted));
 
        _Pmtx->unlock();
        _Owns = false;
    }
 
    // MUTATE
    void swap(unique_lock& _Other) _NOEXCEPT
    {   // swap with _Other
        _STD swap(_Pmtx, _Other._Pmtx);
        _STD swap(_Owns, _Other._Owns);
    }
 
    _Mutex *release() _NOEXCEPT
    {   // disconnect
        _Mutex *_Res = _Pmtx;
        _Pmtx = 0;
        _Owns = false;
        return (_Res);
    }
 
    // OBSERVE
    bool owns_lock() const _NOEXCEPT
    {   // return true if this object owns the lock
        return (_Owns);
    }
 
    explicit operator bool() const _NOEXCEPT
    {   // return true if this object owns the lock
        return (_Owns);
    }
 
    _Mutex *mutex() const _NOEXCEPT
    {   // return pointer to managed mutex
        return (_Pmtx);
    }
 
private:
    _Mutex *_Pmtx;
    bool _Owns;
 
    void _Validate() const
    {   // check if the mutex can be locked
        if (!_Pmtx)
            _THROW_NCEE(system_error,
                _STD make_error_code(errc::operation_not_permitted));
 
        if (_Owns)
            _THROW_NCEE(system_error,
                _STD make_error_code(errc::resource_deadlock_would_occur));
    }
};
 
// SWAP
template<class _Mutex>
    void swap(unique_lock<_Mutex>& _Left,
        unique_lock<_Mutex>& _Right) _NOEXCEPT
{   // swap _Left and _Right
    _Left.swap(_Right);
}

unique_lock私有成员为指针 _Mutex *_Pmtx，指向传递进来的互斥量，lock_guard私有成员为引用_Mutex& _MyMutex，引用传递进的互斥量。这就决定了unique_lock能够实现传递互斥量的功能。

另外通过观察unique_lock几种构造，不同的情况可使用对应的构造创建对象:

• unique_lock(mutex)
  传递未被使用的mutex，通过。会上锁，无法获得锁时会阻塞。

• unique_lock(mutex, adopt_lock_t)
  传递被使用过的mutex，且已经被上过锁，通过。无上锁动作，不阻塞。

• unique_lock(mutex, defer_lock_t)
  传递被使用过的mutex，未被上过锁。无上锁动作，不阻塞。

• unique_lock(mutex, try_to_lock_t)
  任何状态的mutex。尝试上锁，不阻塞。

• unique_lock(_Mutex& _Mtx, const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
  在指定时间长内尝试获取传递的mutex的锁返回。若无法获取锁，会阻塞到指定时间长。

• unique_lock(mutex_type& m,std::chrono::time_point<Clock,Duration> const& absolute_time)
  在给定时间点尝试获取传递的mutex锁返回。若无法获取锁，会阻塞到指定时间点。

• unique_lock(unique_lock&& _Other)
  将已经创建的unique_lock锁的所有权转移到新的锁。保持之前锁的状态，不阻塞。

unique_lock的用法比较多，如果对锁的需求比较简单推荐使用lock_guard。当需要超时或者手动解锁等功能，可以考虑使用unique_lock

总结

• 相对于Linux原生互斥锁的API，C++封装的lock_guard、unique_lock使用更方便和灵活。如果不是有执念，可以尝试使用C++的接口。

• lock_guard与unique_lock的差异主要在于对mutex的管理，其根本取决于两者对于mutex的存储方式不同。lock_guard通过内部成员变量存储mutex，故其无法操作原本的mutex。而unique_lock通过内部指针指向mutex，故其能够操作和传递原本的mutex。