C++多线程之互斥锁与死锁

时间：2022-08-11 11:28:34|栏目：C代码|点击：次

1.前言

比如说我们现在以一个list容器来模仿一个消息队列，当消息来临时插入list的尾部，当读取消息时就把头部的消息读出来并且删除这条消息。在代码中就以两个线程分别实现消息写入和消息读取的功能，如下：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;   //用list模仿一个消息队列
 
public:
	void WriteList()   //向消息队列中写入消息(以i作为消息)
	{
		for (int i = 0; i<100000; i++)
		{
			cout << "Write : " << i <<endl;
			mylist.push_back(i);
		}
		return;
	}
	void ReadList()  //从消息队列中读取并取出消息
	{
		for(int i=0;i<100000;i++)
		{
			if (!mylist.empty())
			{
				cout << "Read : " << mylist.front() << endl;
				mylist.pop_front();
			}
			else
			{
				cout << "Message List is empty!" << endl;
			}
		}
	}
};
int main()
{
	msgList mlist;
	thread pread(&msgList::ReadList, &mlist);   //读线程
	thread pwrite(&msgList::WriteList, &mlist);   //写线程
     //等待线程结束
	pread.join(); 
	pwrite.join();
 
    return 0;
}

这段程序在运行过程中，大部分时间是正常的，但是也会出现如下不稳定的情况：

为什么会出现这种情况呢？

这是因为消息队列对于读线程和写线程来说是共享的，这时就会出现两种特殊的情况：读线程的读取操作还没有结束，线程上下文就切换到了写线程中；或者写线程的写入操作还没有结束，线程上下文切换就到了读线程中，这两种情况都反映了读写冲突，从而出现了以上错误。

要想解决这个问题，最显然最直接的方法就是将读写操作分离开来，读的时候不允许写，写的时候不允许读，这样，才能实现线程安全的读和写。说形象一点，就是在进行读操作时，就对共享资源进行加锁，禁止其他线程访问，其他线程要访问就得等到读线程解锁才行，就像上厕所一样，一次只能上一个人，其他人必须得等他上完了再上。这样，就有了互斥锁的概念。

2.互斥锁

在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。比如说，同一个文件，可能一个线程会对其进行写操作，而另一个线程需要对这个文件进行读操作，可想而知，如果写线程还没有写结束，而此时读线程开始了，或者读线程还没有读结束而写线程开始了，那么最终的结果显然会是混乱的。为了保护共享资源，在线程里也有这么一把锁——互斥锁（mutex），互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。

2.1 互斥锁的特点

1. 原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量；

2. 唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量；

3. 非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

2.2 互斥锁的使用

根据前面我们可以知道，互斥锁主要就是用来保护共享资源的，在C++ 11中，互斥锁封装在mutex类中，通过调用类成员函数lock()和unlock()来实现加锁和解锁。值得注意的是，加锁和解锁，必须成对使用，这也是比较好理解的。除此之外，互斥量的使用时机，就以开篇程序为例，我们要保护的共享资源当然就是消息队列list了，那么互斥锁应该加在哪里呢？

可能想的比较简单一点：就直接把锁加在函数最前面不就好了么？如下所示：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;   //用list模仿一个消息队列
        mutex mtx;   //创建互斥锁对象
public:
	void WriteList()   //向消息队列中写入消息(以i作为消息)
	{
                mtx.lock();
		for (int i = 0; i<100000; i++)
		{
			cout << "Write : " << i <<endl;
			mylist.push_back(i);
		}
                mtx.unlock();
		return;
	}
	//.......
};

不过如果这样加锁的话，要等写线程完全执行结束才能开始读线程，读写线程变成了串行执行，这就违背了线程并发性的特点了。正确的加锁方式应当是在执行写操作的具体部分加锁，如下所示：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;   //用list模仿一个消息队列
        mutex mtx;   //创建互斥锁对象
public:
	void WriteList()   //向消息队列中写入消息(以i作为消息)
	{   
		for (int i = 0; i<100000; i++)
		{
                        mtx.lock();
			cout << "Write : " << i <<endl;
			mylist.push_back(i);
                        mtx.unlock();
		}
		return;
	}
	//.......
};

这样，才能真正的实现读写互不干扰。

下面再举一个更为直观的例子，创建两个线程同时对list进行写操作：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;
	mutex m;
	int i = 0;
public:
	void WriteList()
	{
		while(i<1000)
		{
			mylist.push_back(i++);
		}
		return;
	}
	void showList()
	{
		for (auto p = mylist.begin(); p != mylist.end(); p++)   
		{
			cout << (*p) << " ";
		}
		cout << endl;
		cout << "size of list : " << mylist.size() << endl;
		return;
	}
};
int main()
{
	msgList mlist;
	thread pwrite0(&msgList::WriteList, &mlist);
	thread pwrite1(&msgList::WriteList, &mlist);
 
	pwrite0.join();
	pwrite1.join();
	cout << "threads end!" << endl;
 
	mlist.showList();  //子线程结束后主线程打印list
    return 0;
}

这里用两个线程来写list，并且最终在主线程中调用了showList()来输出list的size和所有元素，我们先来看下输出情况：

根据结果可以看到，这里有很多问题：实际输出的元素个数和size不符，输出的元素也并不是连续的，这都是多个线程同时更新list所造成的情况。这种情况下，运行结果是无法预料的，每次都可能不一样。这就是线程不安全所引发的问题，我们加上锁再来看看：

class msgList
{
private:
	list<int>mylist;
	mutex m;
	int i = 0;
public:
	void WriteList()
	{
		while(i<1000)
		{
                        m.lock();//加锁
			mylist.push_back(i++);
                        m.unlock(); //解锁
		}
		return;
	}
	// ......
};

这样加锁就正确了吗？我们再多运行几次看看：

数字都是连续的，但是个数却多了一个（出现的几率还是比较小），这又是什么原因造成的呢？还是两个线程的问题，假设要插入1000个数，循环条件就是while(i<1000)，当i=999的时候两个写线程都可以进入while循环，此时如果pwrite0线程拿到了lock()，那么pwrite1线程就只能一直等待，pwrite0线程继续往下执行，使得i变成了1000，此时，对于pwrite0线程来说，它就必须退出循环了。而此时的pwrite1在哪里呢？还等在lock()的地方，pwrite0线程unlock()后，pwrite1成功lock()，此时i=1000，但是pwrite1却还没有执行完此次循环，因此向list中插入1000，此时退出的i的值为1001，这也就造成了实际输出为1001个数的情况。

为了避免这个问题，一个简单的办法就是在lock()之后再加上一个判断，判断i是否依旧满足while的条件，如下：

void WriteList()
	{
		while(i<10000)
		{
			m.lock();
			if (i >= 10000)
			{
				m.unlock();   //退出之前必须先解锁
				break;
			}
			mylist.push_back(i++);
			m.unlock();
		}
		return;
	}

为什么这里要在break前面加一个unlock()呢？原因就在于：如果break前面没有unlock()，一旦i符合了if的条件，就直接break了，此时就没法unlock()，程序就会报错：

可以发现，这种错误是比较难发现的，特别是像这样程序中出现了分支的情况，很容易就使得程序实际运行时lock()了却没有unclock()。为了解决这一问题，就有了std::lock_guard。

2.3 std::lock_guard

简单来理解的话，lock_guard就是一个类，它会在其构造函数中加锁，而在析构函数中解锁，也就是说，只要创建一个lock_guard的对象，就相当于lock()了，而该对象析构时，就自动调用unlock()了。

就以上述程序为例，直接改写为：

void WriteList()
	{
		while(i<10000)
		{
                        lock_guard<mutex> guard(m);  //创建lock_guard的类对象guard，用互斥量m来构造
			//m.lock();   
			if (i >= 10000)
			{
				//m.unlock();   //由于有了guard，这里就无需unlock()了
				break;
			}
			mylist.push_back(i++);
			//m.unlock();
		}
		return;
	}

这里主要有两个需要注意的地方：第一、原先的lock()和unlock()都不用了；第二、if中的break前面也不用再调用unlock()了。这都是因为对象guard在lock_guard一句处构造出来，同时就调用了lock()，当退出while时，guard析构，析构时就调用了unlock()。（局部对象的生命周期就是创建该对象时离其最近的大括号的范围{}）

3.死锁

3.1 死锁的含义

死锁是什么意思呢？举个例子，我和你手里都拽着对方家门的钥匙，我说：“你不把我的锁还来，我就不把你的锁给你！”，你一听不乐意了，也说：“你不把我的锁还来，我也不把你的锁给你！”就这样，我们两个人互相拿着对方的锁又等着对方先把锁拿来，然后就只能一直等着等着等着......最终谁也拿不到自己的锁，这就是死锁。

显然，死锁是发生在至少两个锁之间的，也就是指由于两个或者多个线程互相持有对方所需要的资源，导致这些线程处于等待状态，无法前往执行，当线程互相持有对方所需要的资源时，会互相等待对方释放资源，如果线程都不主动释放所占有的资源，将产生死锁。

3.2 死锁的例子

mutex m0,m1;
int i = 0;
void fun0()
{
	while (i < 100)
	{
		lock_guard<mutex> g0(m0);  //线程0加锁0
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //线程0加锁1
		cout << "thread 0 running..." << endl;
	}
	return;
}
void fun1()
{
	while (i < 100)
	{
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //线程1加锁1
		lock_guard<mutex> g0(m0);  //线程1加锁0
		cout << "thread 1 running...   "<< i << endl;
	}
	return;
}
int main()
{
	thread p0(fun0);
	thread p1(fun1);
	p0.join();
	p1.join();
    return 0;
}

我们来看下运行结果：

这就出现了死锁。产生的原因就是因为在线程0中，先加锁0，再加锁1；在线程1中，先加锁1，再加锁0；如果两个线程之一能够完整执行的话，那自然是没有问题的，但是如果某个时刻，线程0中刚加锁0，就上下文切换到线程1，此时线程1就加锁1，然后此时两个线程都想向下执行的话，线程1就必须等待线程0解锁0，线程0就必须等待线程1解锁1，就这样两个线程都一直阻塞着，形成了死锁。

3.3 死锁的解决方法

①按顺序加锁

以上述例程来说，就是线程0和线程1的加锁顺序保持一致，如下所示：

mutex m0,m1;
int i = 0;
void fun0()
{
	while (i < 100)
	{
		lock_guard<mutex> g0(m0);  //线程0加锁0
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //线程0加锁1
		cout << "thread 0 running..." << endl;
	}
	return;
}
void fun1()
{
	while (i < 100)
	{
                lock_guard<mutex> g0(m0);  //线程1加锁0
		lock_guard<mutex> g1(m1);  //线程1加锁1
		cout << "thread 1 running...   "<< i << endl;
	}
	return;
}
int main()
{
	thread p0(fun0);
	thread p1(fun1);
	p0.join();
	p1.join();
    return 0;
}

在这种情况下，两个线程一旦一个加了锁，那么另一个就必定阻塞，这样，就不会出现两边加锁两边阻塞的情况，从而避免死锁。

②同时上锁

同时上锁需要用到lock()函数，如下所述：

mutex m0,m1;
int i = 0;
void fun0()
{
	while (i < 100)
	{
                lock(m0,m1);
		lock_guard<mutex> g0(m0, adopt_lock);
		lock_guard<mutex> g1(m1, adopt_lock);
		cout << "thread 0 running..." << endl;
	}
	return;
}
void fun1()
{
	while (i < 100)
	{
                lock(m0,m1);
		lock_guard<mutex> g0(m0, adopt_lock);
		lock_guard<mutex> g1(m1, adopt_lock);
		cout << "thread 1 running...   "<< i << endl;
	}
	return;
}
int main()
{
	thread p0(fun0);
	thread p1(fun1);
	p0.join();
	p1.join();
    return 0;
}