C++ —— 线程同步（互斥锁）

线程同步

线程同步：多线程协同工作，协商如何使用共享资源。
C++11线程同步包含三部分内容：

1. 互斥锁（互斥量）
2. 条件变量
3. 生产/消费者模型

互斥锁（互斥量）

只有加锁和解锁两种状态，确保同一时间只有一个线程访问共享资源。
访问共享资源之前加锁，加锁成功，访问资源，访问完成，解锁释放。
若某线程持有锁，其他线程形成等待队列。

C++11提供了4种互斥锁：

• mutex：互斥锁（最常用）
• 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

测试代码

#include <iostream>
#include <thread>
using namespace std;

void func (int n, const string& s) {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        cout << "No." << i << ", n = " << n << ", s = " << s << endl;
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    }
}
a
int main () {
    thread t1(func, 1, "t1");
    thread t2(func, 2, "t2");
    thread t3(func, 3, "t3");
    thread t4(func, 4, "t4");
    thread t5(func, 5, "t5");
    thread t6(func, 6, "t6");

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    t4.join();
    t5.join();
    t6.join();

    return 0;
}

cout属于全局对象，若多线程都用它向屏幕输出文字，会出乱子。线程越多，越容易乱。

mutex互斥锁

使用互斥锁给cout加锁，代码如下：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex> // 使用互斥锁需要包含的头文件
using namespace std;

mutex mtx; // 创建互斥锁对象，用于保护共享资源cout对象。

void func (int n, const string& s) {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
        // 每次调用cout对象之前，申请加锁
        mtx.lock();
        cout << "No." << i << ", n = " << n << ", s = " << s << endl;
        // 用完了就解锁
        mtx.unlock();
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    }
}

int main () {
   // 代码不变...
}

再看一段示例代码：

#include <iostream>
#include <chrono> // 时间相关操作的头文件
#include <thread> // 线程相关操作的头文件
#include <mutex> // 互斥锁的头文件
using namespace std;

int a = 0;
mutex mtx; // 创建互斥锁对象，用于保护共享资源a变量。

void func () {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        mtx.lock();
        a++;
        mtx.unlock();
    }
}

int main () {
    auto start = chrono::steady_clock::now();
    thread t1(func);
    thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();
    auto end = chrono::steady_clock::now();
    cout << "time = " << chrono::duration_cast<chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << endl;
    cout << "a = " << a << endl;

    return 0;
}

运行结果：

time = 101ms
a = 2000000

在代码中添加一些打印信息，能更清楚的观察到：两个线程申请加锁，只有一个成功，另外一个线程等待，直到第一个线程解锁后第二个线程才能加锁。

#include <iostream>
#include <chrono> // 时间相关操作的头文件
#include <thread> // 线程相关操作的头文件
#include <mutex> // 互斥锁的头文件
using namespace std;

int a = 0;
mutex mtx;

void func () {
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
        cout << "thread id: " << this_thread::get_id() << ", 申请加锁" << endl;
        mtx.lock();
        cout << "thread id: " << this_thread::get_id() << ", 加锁成功" << endl;
        a++;
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));
        mtx.unlock();
        cout << "thread id: " << this_thread::get_id() << ", 解锁" << endl;
        this_thread::sleep_for(chrono::seconds(1));
    }
}

int main () {
    thread t1(func);
    thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();
    
    cout << "a = " << a << endl;

    return 0;
}

运行结果：

thread id: 139727756003072, 申请加锁
thread id: 139727756003072, 加锁成功
thread id: 139727747610368, 申请加锁
thread id: 139727756003072, 解锁
thread id: 139727747610368, 加锁成功
thread id: 139727756003072, 申请加锁
thread id: 139727747610368, 解锁
…

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