C++11中如何使用Lock實現并發

這篇“C++11中如何使用Lock實現并發”文章的知識點大部分人都不太理解，所以小編給大家總結了以下內容，內容詳細，步驟清晰，具有一定的借鑒價值，希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲，下面我們一起來看看這篇“C++11中如何使用Lock實現并發”文章吧。

C++11 標準為我們提供了兩種基本的鎖類型，分別如下：

• std::lock_guard，與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖。

• std::unique_lock，與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖，但提供了更好的上鎖和解鎖控制。

另外還提供了幾個與鎖類型相關的 Tag 類，分別如下:

• std::adopt_lock_t，一個空的標記類，定義如下：

struct adopt_lock_t {};

該類型的常量對象adopt_lock（adopt_lock 是一個常量對象，定義如下：

constexpr adopt_lock_t adopt_lock {};，// constexpr 是 C++11 中的新關鍵字）

通常作為參數傳入給 unique_lock 或 lock_guard 的構造函數。

std::defer_lock_t，一個空的標記類，定義如下：

struct defer_lock_t {};

該類型的常量對象 defer_lock（defer_lock 是一個常量對象，定義如下：

constexpr defer_lock_t defer_lock {};，// constexpr 是 C++11 中的新關鍵字）

通常作為參數傳入給 unique_lock 或 lock_guard 的構造函數。

std::try_to_lock_t，一個空的標記類，定義如下：

struct try_to_lock_t {};

該類型的常量對象 try_to_lock（try_to_lock 是一個常量對象，定義如下：

constexpr try_to_lock_t try_to_lock {};，// constexpr 是 C++11 中的新關鍵字）

通常作為參數傳入給 unique_lock 或 lock_guard 的構造函數。后面我們會詳細介紹以上三種 Tag 類型在配合 lock_gurad 與 unique_lock 使用時的區別。

std::lock_guard 介紹

std::lock_gurad 是 C++11 中定義的模板類。定義如下：

template <class Mutex> class lock_guard;

lock_guard 對象通常用于管理某個鎖(Lock)對象，因此與 Mutex RAII 相關，方便線程對互斥量上鎖，即在某個 lock_guard 對象的聲明周期內，它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態；而 lock_guard 的生命周期結束之后，它所管理的鎖對象會被解鎖(注：類似 shared_ptr 等智能指針管理動態分配的內存資源 )。

模板參數 Mutex 代表互斥量類型，例如 std::mutex 類型，它應該是一個基本的 BasicLockable 類型，標準庫中定義幾種基本的 BasicLockable 類型，分別 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex (以上四種類型均已在上一篇博客中介紹)以及 std::unique_lock(本文后續會介紹 std::unique_lock)。(注：BasicLockable 類型的對象只需滿足兩種操作，lock 和 unlock，另外還有 Lockable 類型，在 BasicLockable 類型的基礎上新增了 try_lock 操作，因此一個滿足 Lockable 的對象應支持三種操作：lock，unlock 和 try_lock；最后還有一種 TimedLockable 對象，在 Lockable 類型的基礎上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 兩種操作，因此一個滿足 TimedLockable 的對象應支持五種操作：lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

在 lock_guard 對象構造時，傳入的 Mutex 對象(即它所管理的 Mutex 對象)會被當前線程鎖住。在lock_guard 對象被析構時，它所管理的 Mutex 對象會自動解鎖，由于不需要程序員手動調用 lock 和 unlock 對 Mutex 進行上鎖和解鎖操作，因此這也是最簡單安全的上鎖和解鎖方式，尤其是在程序拋出異常后先前已被上鎖的 Mutex 對象可以正確進行解鎖操作，極大地簡化了程序員編寫與 Mutex 相關的異常處理代碼。

值得注意的是，lock_guard 對象并不負責管理 Mutex 對象的生命周期，lock_guard 對象只是簡化了 Mutex 對象的上鎖和解鎖操作，方便線程對互斥量上鎖，即在某個 lock_guard 對象的聲明周期內，它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態；而 lock_guard 的生命周期結束之后，它所管理的鎖對象會被解鎖。

std::lock_guard 構造函數

lock_guard 構造函數如下表所示：

explicit lock_guard (mutex_type& m);

lock_guard (mutex_type& m, adopt_lock_t tag);

lock_guard (const lock_guard&) = delete;

locking 初始化
lock_guard 對象管理 Mutex 對象 m，并在構造時對 m 進行上鎖（調用 m.lock()）。

adopting初始化
lock_guard 對象管理 Mutex 對象 m，與 locking 初始化(1) 不同的是， Mutex 對象 m 已被當前線程鎖住。

拷貝構造
lock_guard 對象的拷貝構造和移動構造(move construction)均被禁用，因此 lock_guard 對象不可被拷貝構造或移動構造。

我們來看一個簡單的例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::lock_guard, std::adopt_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_thread_id (int id) {
 mtx.lock();
 std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);
 std::cout << "thread #" << id << '\n';
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

在 print_thread_id 中，我們首先對 mtx 進行上鎖操作(mtx.lock();)，然后用 mtx 對象構造一個 lock_guard 對象(std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);)，注意此時 Tag 參數為 std::adopt_lock，表明當前線程已經獲得了鎖，此后 mtx 對象的解鎖操作交由 lock_guard 對象 lck 來管理，在 lck 的生命周期結束之后，mtx 對象會自動解鎖。lock_guard 最大的特點就是安全易于使用，請看下面例子(參考)，在異常拋出的時候通過 lock_guard 對象管理的 Mutex 可以得到正確地解鎖。

#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::lock_guard
#include <stdexcept>   // std::logic_error

std::mutex mtx;

void print_even (int x) {
 if (x%2==0) std::cout << x << " is even\n";
 else throw (std::logic_error("not even"));
}

void print_thread_id (int id) {
 try {
  // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception:
  std::lock_guard<std::mutex> lck (mtx);
  print_even(id);
 }
 catch (std::logic_error&) {
  std::cout << "[exception caught]\n";
 }
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

std::unique_lock 介紹

但是 lock_guard 最大的缺點也是簡單，沒有給程序員提供足夠的靈活度，因此，C++11 標準中定義了另外一個與 Mutex RAII 相關類 unique_lock，該類與 lock_guard 類相似，也很方便線程對互斥量上鎖，但它提供了更好的上鎖和解鎖控制。

顧名思義，unique_lock 對象以獨占所有權的方式（ unique owership）管理 mutex 對象的上鎖和解鎖操作，所謂獨占所有權，就是沒有其他的 unique_lock 對象同時擁有某個 mutex 對象的所有權。

在構造(或移動(move)賦值)時，unique_lock 對象需要傳遞一個 Mutex 對象作為它的參數，新創建的 unique_lock 對象負責傳入的 Mutex 對象的上鎖和解鎖操作。

std::unique_lock 對象也能保證在其自身析構時它所管理的 Mutex 對象能夠被正確地解鎖（即使沒有顯式地調用 unlock 函數）。因此，和 lock_guard 一樣，這也是一種簡單而又安全的上鎖和解鎖方式，尤其是在程序拋出異常后先前已被上鎖的 Mutex 對象可以正確進行解鎖操作，極大地簡化了程序員編寫與 Mutex 相關的異常處理代碼。

值得注意的是，unique_lock 對象同樣也不負責管理 Mutex 對象的生命周期，unique_lock 對象只是簡化了 Mutex 對象的上鎖和解鎖操作，方便線程對互斥量上鎖，即在某個 unique_lock 對象的聲明周期內，它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態；而 unique_lock 的生命周期結束之后，它所管理的鎖對象會被解鎖，這一點和 lock_guard 類似，但 unique_lock 給程序員提供了更多的自由，我會在下面的內容中給大家介紹 unique_lock 的用法。

另外，與 lock_guard 一樣，模板參數 Mutex 代表互斥量類型，例如 std::mutex 類型，它應該是一個基本的 BasicLockable 類型，標準庫中定義幾種基本的 BasicLockable 類型，分別 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex (以上四種類型均已在上一篇博客中介紹)以及 std::unique_lock(本文后續會介紹 std::unique_lock)。(注：BasicLockable 類型的對象只需滿足兩種操作，lock 和 unlock，另外還有 Lockable 類型，在 BasicLockable 類型的基礎上新增了 try_lock 操作，因此一個滿足 Lockable 的對象應支持三種操作：lock，unlock 和 try_lock；最后還有一種 TimedLockable 對象，在 Lockable 類型的基礎上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 兩種操作，因此一個滿足 TimedLockable 的對象應支持五種操作：lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

std::unique_lock 構造函數

std::unique_lock 的構造函數的數目相對來說比 std::lock_guard 多，其中一方面也是因為 std::unique_lock 更加靈活，從而在構造 std::unique_lock 對象時可以接受額外的參數。總地來說，std::unique_lock 構造函數如下：

unique_lock() noexcept;

explicit unique_lock(mutex_type& m);

unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag);

unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept;

unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag);

template <class Rep, class Period>
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);

template <class Clock, class Duration>
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);

unique_lock(const unique_lock&) = delete;

unique_lock(unique_lock&& x);

下面我們來分別介紹以上各個構造函數：

(1) 默認構造函數
新創建的 unique_lock 對象不管理任何 Mutex 對象。
(2) locking 初始化
新創建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象 m，并嘗試調用 m.lock() 對 Mutex 對象進行上鎖，如果此時另外某個 unique_lock 對象已經管理了該 Mutex 對象 m，則當前線程將會被阻塞。
(3) try-locking 初始化
新創建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象 m，并嘗試調用 m.try_lock() 對 Mutex 對象進行上鎖，但如果上鎖不成功，并不會阻塞當前線程。
(4) deferred 初始化
新創建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象 m，但是在初始化的時候并不鎖住 Mutex 對象。 m 應該是一個沒有當前線程鎖住的 Mutex 對象。
(5) adopting 初始化
新創建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象 m， m 應該是一個已經被當前線程鎖住的 Mutex 對象。(并且當前新創建的 unique_lock 對象擁有對鎖(Lock)的所有權)。
(6) locking 一段時間(duration)
新創建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象 m，并試圖通過調用 m.try_lock_for(rel_time) 來鎖住 Mutex 對象一段時間(rel_time)。
(7) locking 直到某個時間點(time point)
新創建的 unique_lock 對象管理 Mutex 對象m，并試圖通過調用 m.try_lock_until(abs_time) 來在某個時間點(abs_time)之前鎖住 Mutex 對象。
(8) 拷貝構造 [被禁用]
unique_lock 對象不能被拷貝構造。
(9) 移動(move)構造
新創建的 unique_lock 對象獲得了由 x 所管理的 Mutex 對象的所有權(包括當前 Mutex 的狀態)。調用 move 構造之后， x 對象如同通過默認構造函數所創建的，就不再管理任何 Mutex 對象了。
綜上所述，由 (2) 和 (5) 創建的 unique_lock 對象通常擁有 Mutex 對象的鎖。而通過 (1) 和 (4) 創建的則不會擁有鎖。通過 (3)，(6) 和 (7) 創建的 unique_lock 對象，則在 lock 成功時獲得鎖。

關于unique_lock 的構造函數，請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::lock, std::unique_lock
             // std::adopt_lock, std::defer_lock
std::mutex foo,bar;

void task_a () {
 std::lock (foo,bar);     // simultaneous lock (prevents deadlock)
 std::unique_lock<std::mutex> lck1 (foo,std::adopt_lock);
 std::unique_lock<std::mutex> lck2 (bar,std::adopt_lock);
 std::cout << "task a\n";
 // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)
}

void task_b () {
 // foo.lock(); bar.lock(); // replaced by:
 std::unique_lock<std::mutex> lck1, lck2;
 lck1 = std::unique_lock<std::mutex>(bar,std::defer_lock);
 lck2 = std::unique_lock<std::mutex>(foo,std::defer_lock);
 std::lock (lck1,lck2);    // simultaneous lock (prevents deadlock)
 std::cout << "task b\n";
 // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2)
}


int main ()
{
 std::thread th2 (task_a);
 std::thread th3 (task_b);

 th2.join();
 th3.join();

 return 0;
}

std::unique_lock 移動(move assign)賦值操作

std::unique_lock 支持移動賦值(move assignment)，但是普通的賦值被禁用了，

unique_lock& operator= (unique_lock&& x) noexcept;

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

移動賦值(move assignment)之后，由 x 所管理的 Mutex 對象及其狀態將會被新的 std::unique_lock 對象取代。

如果被賦值的對象之前已經獲得了它所管理的 Mutex 對象的鎖，則在移動賦值(move assignment)之前會調用 unlock 函數釋放它所占有的鎖。

調用移動賦值(move assignment)之后， x 對象如同通過默認構造函數所創建的，也就不再管理任何 Mutex 對象了。請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_fifty (char c) {
 std::unique_lock<std::mutex> lck;     // default-constructed
 lck = std::unique_lock<std::mutex>(mtx); // move-assigned
 for (int i=0; i<50; ++i) { std::cout << c; }
 std::cout << '\n';
}

int main ()
{
 std::thread th2 (print_fifty,'*');
 std::thread th3 (print_fifty,'$');

 th2.join();
 th3.join();

 return 0;
}

std::unique_lock 主要成員函數

本節我們來看看 std::unique_lock 的主要成員函數。由于 std::unique_lock 比 std::lock_guard 操作靈活，因此它提供了更多成員函數。具體分類如下：

1. 上鎖/解鎖操作：lock，try_lock，try_lock_for，try_lock_until 和 unlock

2. 修改操作：移動賦值(move assignment)(前面已經介紹過了)，交換(swap)（與另一個 std::unique_lock 對象交換它們所管理的 Mutex 對象的所有權），釋放(release)（返回指向它所管理的 Mutex 對象的指針，并釋放所有權）

3. 獲取屬性操作：owns_lock（返回當前 std::unique_lock 對象是否獲得了鎖）、operator bool()（與 owns_lock 功能相同，返回當前 std::unique_lock 對象是否獲得了鎖）、mutex（返回當前 std::unique_lock 對象所管理的 Mutex 對象的指針）。

std::unique_lock::lock請看下面例子(參考)：

上鎖操作，調用它所管理的 Mutex 對象的 lock 函數。如果在調用  Mutex 對象的 lock 函數時該 Mutex 對象已被另一線程鎖住，則當前線程會被阻塞，直到它獲得了鎖。

該函數返回時，當前的 unique_lock 對象便擁有了它所管理的 Mutex 對象的鎖。如果上鎖操作失敗，則拋出 system_error 異常。

// unique_lock::lock/unlock
#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_thread_id (int id) {
 std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx,std::defer_lock);
 // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking lck):
 lck.lock();
 std::cout << "thread #" << id << '\n';
 lck.unlock();
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::try_lock

上鎖操作，調用它所管理的 Mutex 對象的 try_lock 函數，如果上鎖成功，則返回 true，否則返回 false。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <vector>     // std::vector
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_star () {
 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::defer_lock);
 // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: 
 if (lck.try_lock())
  std::cout << '*';
 else          
  std::cout << 'x';
}

int main ()
{
 std::vector<std::thread> threads;
 for (int i=0; i<500; ++i)
  threads.emplace_back(print_star);

 for (auto& x: threads) x.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::try_lock_for

上鎖操作，調用它所管理的 Mutex 對象的 try_lock_for 函數，如果上鎖成功，則返回 true，否則返回 false。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <chrono>     // std::chrono::milliseconds
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::timed_mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::timed_mutex mtx;

void fireworks () {
 std::unique_lock<std::timed_mutex> lck(mtx,std::defer_lock);
 // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
 while (!lck.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) {
  std::cout << "-";
 }
 // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"
 std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
 std::cout << "*\n";
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(fireworks);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::try_lock_until

上鎖操作，調用它所管理的 Mutex 對象的 try_lock_for 函數，如果上鎖成功，則返回 true，否則返回 false。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <chrono>     // std::chrono::milliseconds
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::timed_mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::timed_mutex mtx;

void fireworks () {
 std::unique_lock<std::timed_mutex> lck(mtx,std::defer_lock);
 // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms:
 while (!lck.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) {
  std::cout << "-";
 }
 // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*"
 std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
 std::cout << "*\n";
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(fireworks);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::unlock

解鎖操作，調用它所管理的 Mutex 對象的 unlock 函數。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_thread_id (int id) {
 std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx,std::defer_lock);
 // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking lck):
 lck.lock();
 std::cout << "thread #" << id << '\n';
 lck.unlock();
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::release

返回指向它所管理的 Mutex 對象的指針，并釋放所有權。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <vector>     // std::vector
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock

std::mutex mtx;
int count = 0;

void print_count_and_unlock (std::mutex* p_mtx) {
 std::cout << "count: " << count << '\n';
 p_mtx->unlock();
}

void task() {
 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
 ++count;
 print_count_and_unlock(lck.release());
}

int main ()
{
 std::vector<std::thread> threads;
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads.emplace_back(task);

 for (auto& x: threads) x.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::owns_lock

返回當前 std::unique_lock 對象是否獲得了鎖。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <vector>     // std::vector
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock, std::try_to_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_star () {
 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::try_to_lock);
 // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: 
 if (lck.owns_lock())
  std::cout << '*';
 else          
  std::cout << 'x';
}

int main ()
{
 std::vector<std::thread> threads;
 for (int i=0; i<500; ++i)
  threads.emplace_back(print_star);

 for (auto& x: threads) x.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::operator bool()

與 owns_lock 功能相同，返回當前 std::unique_lock 對象是否獲得了鎖。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <vector>     // std::vector
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock, std::try_to_lock

std::mutex mtx;      // mutex for critical section

void print_star () {
 std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::try_to_lock);
 // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: 
 if (lck)
  std::cout << '*';
 else          
  std::cout << 'x';
}

int main ()
{
 std::vector<std::thread> threads;
 for (int i=0; i<500; ++i)
  threads.emplace_back(print_star);

 for (auto& x: threads) x.join();

 return 0;
}

std::unique_lock::mutex

返回當前 std::unique_lock 對象所管理的 Mutex 對象的指針。

請看下面例子(參考)：

#include <iostream>    // std::cout
#include <thread>     // std::thread
#include <mutex>     // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock

class MyMutex : public std::mutex {
 int _id;
public:
 MyMutex (int id) : _id(id) {}
 int id() {return _id;}
};

MyMutex mtx (101);

void print_ids (int id) {
 std::unique_lock<MyMutex> lck (mtx);
 std::cout << "thread #" << id << " locked mutex " << lck.mutex()->id() << '\n';
}

int main ()
{
 std::thread threads[10];
 // spawn 10 threads:
 for (int i=0; i<10; ++i)
  threads[i] = std::thread(print_ids,i+1);

 for (auto& th : threads) th.join();

 return 0;
}

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