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锁和原子变量的基础介绍

news 2025/10/24 14:39:31

1. 锁（Mutex）的基本概念

什么是锁？
锁是一种同步机制，用于保护共享资源，确保在同一时间只有一个线程可以访问这些资源。

基本使用方式：

cpp

#include <mutex>std::mutex mtx;  // 声明一个互斥锁void critical_section() {mtx.lock();    // 获取锁// ... 访问共享资源的代码mtx.unlock();  // 释放锁
}

更安全的方式 - 使用锁守卫：

cpp

void critical_section() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);  // 构造时自动加锁// ... 访问共享资源的代码// 析构时自动解锁，即使发生异常也能保证解锁
}

更灵活的方式 - 使用unique_lock：

cpp

void critical_section() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);  // 构造时自动加锁// ... 访问共享资源的代码// 可以手动解锁，也可以等待条件变量lock.unlock();  // 手动解锁// ... 其他不需要锁的操作lock.lock();    // 重新加锁
}

2. 条件变量（Condition Variable）

什么是条件变量？
条件变量允许线程在某个条件不满足时等待，当条件满足时被其他线程唤醒。

基本使用模式：

cpp

#include <condition_variable>std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;// 等待线程
void waiting_thread() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);while (!ready) {           // 必须用循环检查条件cv.wait(lock);         // 等待时会释放锁，被唤醒时重新获取锁}// 条件满足，执行操作
}// 通知线程
void notifying_thread() {{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);ready = true;}cv.notify_one();  // 或 cv.notify_all()
}

3. 原子变量（Atomic Variables）

什么是原子变量？
原子变量提供了一种无需锁就能进行线程安全操作的方式，操作是不可中断的。

基本使用：

cpp

#include <atomic>std::atomic<int> counter(0);  // 原子整型void increment() {counter++;  // 原子操作，线程安全
}void complex_operation() {// 非原子操作需要额外处理int expected = counter.load();while (!counter.compare_exchange_weak(expected, expected + 1)) {// 如果counter的值不等于expected，更新expected并重试}
}

原子操作的优势：