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C++11 并发指南之Lock 详解

时间：2021-05-26 08:15:56 | 栏目：C代码 | 点击：次

在 《 C++11 并发指南三(std::mutex 详解) 》一文中我们主要介绍了 C++11 标准中的互斥量(Mutex)，并简单介绍了一下两种锁类型。本节将详细介绍一下 C++11 标准的锁类型。

C++11 标准为我们提供了两种基本的锁类型，分别如下：

另外还提供了几个与锁类型相关的 Tag 类，分别如下:

struct adopt_lock_t {};

该类型的常量对象adopt_lock（adopt_lock 是一个常量对象，定义如下：

constexpr adopt_lock_t adopt_lock {};，// constexpr 是 C++11 中的新关键字）

通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。

std::defer_lock_t，一个空的标记类，定义如下：

struct defer_lock_t {};

该类型的常量对象 defer_lock（defer_lock 是一个常量对象，定义如下：

constexpr defer_lock_t defer_lock {};，// constexpr 是 C++11 中的新关键字）

通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。

std::try_to_lock_t，一个空的标记类，定义如下：

struct try_to_lock_t {};

该类型的常量对象 try_to_lock（try_to_lock 是一个常量对象，定义如下：

constexpr try_to_lock_t try_to_lock {};，// constexpr 是 C++11 中的新关键字）

通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。后面我们会详细介绍以上三种 Tag 类型在配合 lock_gurad 与 unique_lock 使用时的区别。

std::lock_guard 介绍

std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下：

template <class Mutex> class lock_guard;

lock_guard 对象通常用于管理某个锁(Lock)对象，因此与 Mutex RAII 相关，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁(注：类似 shared_ptr 等智能指针管理动态分配的内存资源 )。

模板参数 Mutex 代表互斥量类型，例如 std::mutex 类型，它应该是一个基本的 BasicLockable 类型，标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型，分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注：BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作，lock 和 unlock，另外还有 Lockable 类型，在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作，因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作：lock，unlock 和 try_lock；最后还有一种 TimedLockable 对象，在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作，因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作：lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

在 lock_guard 对象构造时，传入的 Mutex 对象(即它所管理的 Mutex 对象)会被当前线程锁住。在lock_guard 对象被析构时，它所管理的 Mutex 对象会自动解锁，由于不需要程序员手动调用 lock 和 unlock 对 Mutex 进行上锁和解锁操作，因此这也是最简单安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。

值得注意的是，lock_guard 对象并不负责管理 Mutex 对象的生命周期，lock_guard 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个 lock_guard 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 lock_guard 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁。

std::lock_guard 构造函数

lock_guard 构造函数如下表所示：

locking (1) 
explicit lock_guard (mutex_type& m);
adopting (2) 
lock_guard (mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
copy [deleted](3) 
lock_guard (const lock_guard&) = delete;

locking 初始化
lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m，并在构造时对 m 进行上锁（调用 m.lock()）。

adopting初始化
lock_guard 对象管理 Mutex 对象 m，与 locking 初始化(1) 不同的是， Mutex 对象 m 已被当前线程锁住。

拷贝构造
lock_guard 对象的拷贝构造和移动构造(move construction)均被禁用，因此 lock_guard 对象不可被拷贝构造或移动构造。

我们来看一个简单的例子(参考)：

#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，我们首先对 mtx 进行上锁操作(mtx.lock();)，然后用 mtx 对象构造一个 lock_guard 对象(std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);)，注意此时 Tag 参数为 std::adopt_lock，表明当前线程已经获得了锁，此后 mtx 对象的解锁操作交由 lock_guard 对象 lck 来管理，在 lck 的生命周期结束之后，mtx 对象会自动解锁。lock_guard 最大的特点就是安全易于使用，请看下面例子(参考)，在异常抛出的时候通过 lock_guard 对象管理的 Mutex 可以得到正确地解锁。

#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 介绍

但是 lock_guard 最大的缺点也是简单，没有给程序员提供足够的灵活度，因此，C++11 标准中定义了另外一个与 Mutex RAII 相关类 unique_lock，该类与 lock_guard 类相似，也很方便线程对互斥量上锁，但它提供了更好的上锁和解锁控制。

顾名思义，unique_lock 对象以独占所有权的方式（ unique owership）管理 mutex 对象的上锁和解锁操作，所谓独占所有权，就是没有其他的 unique_lock 对象同时拥有某个 mutex 对象的所有权。

在构造(或移动(move)赋值)时，unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数，新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。

std::unique_lock 对象也能保证在其自身析构时它所管理的 Mutex 对象能够被正确地解锁（即使没有显式地调用 unlock 函数）。因此，和 lock_guard 一样，这也是一种简单而又安全的上锁和解锁方式，尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作，极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。

值得注意的是，unique_lock 对象同样也不负责管理 Mutex 对象的生命周期，unique_lock 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作，方便线程对互斥量上锁，即在某个 unique_lock 对象的声明周期内，它所管理的锁对象会一直保持上锁状态；而 unique_lock 的生命周期结束之后，它所管理的锁对象会被解锁，这一点和 lock_guard 类似，但 unique_lock 给程序员提供了更多的自由，我会在下面的内容中给大家介绍 unique_lock 的用法。

另外，与 lock_guard 一样，模板参数 Mutex 代表互斥量类型，例如 std::mutex 类型，它应该是一个基本的 BasicLockable 类型，标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型，分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注：BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作，lock 和 unlock，另外还有 Lockable 类型，在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作，因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作：lock，unlock 和 try_lock；最后还有一种 TimedLockable 对象，在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作，因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作：lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。

std::unique_lock 构造函数

std::unique_lock 的构造函数的数目相对来说比 std::lock_guard 多，其中一方面也是因为 std::unique_lock 更加灵活，从而在构造 std::unique_lock 对象时可以接受额外的参数。总地来说，std::unique_lock 构造函数如下：

default (1) 
unique_lock() noexcept;
locking (2) 
explicit unique_lock(mutex_type& m);
try-locking (3) 
unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag);
deferred (4) 
unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept;
adopting (5) 
unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
locking for (6) 
template <class Rep, class Period>
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);
locking until (7) 
template <class Clock, class Duration>
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);
copy [deleted] (8) 
unique_lock(const unique_lock&) = delete;
move (9) 
unique_lock(unique_lock&& x);

下面我们来分别介绍以上各个构造函数：

(1) 默认构造函数
新创建的 unique_lock 对象不管理任何 Mutex 对象。
(2) locking 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.lock() 对 Mutex 对象进行上锁，如果此时另外某个 unique_lock 对象已经管理了该 Mutex 对象 m，则当前线程将会被阻塞。
(3) try-locking 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.try_lock() 对 Mutex 对象进行上锁，但如果上锁不成功，并不会阻塞当前线程。
(4) deferred 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，但是在初始化的时候并不锁住 Mutex 对象。 m 应该是一个没有当前线程锁住的 Mutex 对象。
(5) adopting 初始化
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m， m 应该是一个已经被当前线程锁住的 Mutex 对象。(并且当前新创建的 unique_lock 对象拥有对锁(Lock)的所有权)。
(6) locking 一段时间(duration)
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并试图通过调用 m.try_lock_for(rel_time) 来锁住 Mutex 对象一段时间(rel_time)。
(7) locking 直到某个时间点(time point)
新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象m，并试图通过调用 m.try_lock_until(abs_time) 来在某个时间点(abs_time)之前锁住 Mutex 对象。
(8) 拷贝构造 [被禁用]
unique_lock 对象不能被拷贝构造。
(9) 移动(move)构造
新创建的 unique_lock 对象获得了由 x 所管理的 Mutex 对象的所有权(包括当前 Mutex 的状态)。调用 move 构造之后， x 对象如同通过默认构造函数所创建的，就不再管理任何 Mutex 对象了。
综上所述，由 (2) 和 (5) 创建的 unique_lock 对象通常拥有 Mutex 对象的锁。而通过 (1) 和 (4) 创建的则不会拥有锁。通过 (3)，(6) 和 (7) 创建的 unique_lock 对象，则在 lock 成功时获得锁。

关于unique_lock 的构造函数，请看下面例子(参考)：

#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 th1 (task_a);
 std::thread th2 (task_b);

 th1.join();
 th2.join();

 return 0;
}

std::unique_lock 移动(move assign)赋值操作

std::unique_lock 支持移动赋值(move assignment)，但是普通的赋值被禁用了，

move (1) 
unique_lock& operator= (unique_lock&& x) noexcept;
copy [deleted] (2) 
unique_lock& operator= (const unique_lock&) = delete;

移动赋值(move assignment)之后，由 x 所管理的 Mutex 对象及其状态将会被新的 std::unique_lock 对象取代。

如果被赋值的对象之前已经获得了它所管理的 Mutex 对象的锁，则在移动赋值(move assignment)之前会调用 unlock 函数释放它所占有的锁。

调用移动赋值(move assignment)之后， x 对象如同通过默认构造函数所创建的，也就不再管理任何 Mutex 对象了。请看下面例子(参考)：

#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 th1 (print_fifty,'*');
 std::thread th2 (print_fifty,'$');

 th1.join();
 th2.join();

 return 0;
}

std::unique_lock 主要成员函数

本节我们来看看 std::unique_lock 的主要成员函数。由于 std::unique_lock 比 std::lock_guard 操作灵活，因此它提供了更多成员函数。具体分类如下：

  1. 上锁/解锁操作：lock，try_lock，try_lock_for，try_lock_until 和 unlock
  2. 修改操作：移动赋值(move assignment)(前面已经介绍过了)，交换(swap)（与另一个 std::unique_lock 对象交换它们所管理的 Mutex 对象的所有权），释放(release)（返回指向它所管理的 Mutex 对象的指针，并释放所有权）
  3. 获取属性操作：owns_lock（返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁）、operator bool()（与 owns_lock 功能相同，返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁）、mutex（返回当前 std::unique_lock 对象所管理的 Mutex 对象的指针）。

std::unique_lock::lock请看下面例子(参考)：

上锁操作，调用它所管理的 Mutex 对象的 lock 函数。如果在调用  Mutex 对象的 lock 函数时该 Mutex 对象已被另一线程锁住，则当前线程会被阻塞，直到它获得了锁。

该函数返回时，当前的 unique_lock 对象便拥有了它所管理的 Mutex 对象的锁。如果上锁操作失败，则抛出 system_error 异常。

// 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

上锁操作，调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock 函数，如果上锁成功，则返回 true，否则返回 false。

请看下面例子(参考)：

#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

上锁操作，调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock_for 函数，如果上锁成功，则返回 true，否则返回 false。

请看下面例子(参考)：

#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

上锁操作，调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock_for 函数，如果上锁成功，则返回 true，否则返回 false。

请看下面例子(参考)：

#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

解锁操作，调用它所管理的 Mutex 对象的 unlock 函数。

请看下面例子(参考)：

#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 对象的指针，并释放所有权。

请看下面例子(参考)：

#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

返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁。

请看下面例子(参考)：

#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()

与 owns_lock 功能相同，返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁。

请看下面例子(参考)：

#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

返回当前 std::unique_lock 对象所管理的 Mutex 对象的指针。

请看下面例子(参考)：

#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;
}

好了，本文先介绍到这里，我们基本上介绍完了 C++11 多线程编程中两种最基本的锁类型，后面我会继续更新有关 C++11 并发编程的博客，希望感兴趣的同学继续关注 ;-)

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