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By: admin
本文总结C和C++中各种锁以及使用方式，主要是C语言中的互斥锁 mutex 和读写锁 rwlock，以及C++中的互斥锁mutex以互斥锁管理。C++中的各种mutex其实是对C语言中的mutex的面相对象的封装，此外的mutex管理部分的类其实是用RAII的风格对mutex对象进行进一步包装。 此外线程间通信还有信号量，因为它不叫锁就不说了，还有个非常不常用的自旋锁也不说了，还有名字很罕见的闩 latch 与屏障 barrier 也不说了。感兴趣自己看 cppreference.com吧。
1. C 互斥锁 mutex
初始化与去初始化
#include
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_init 使用指定的attr属性初始化一个互斥锁mutex 。如果 atrr 设为 NULL 或者使用一个默认的 pthread_mutexattr_t 类型都是使用默认属性进行初始化。 重复初始化一个已经初始化过的锁会导致未知行为。 pthread_mutex_destroy 可以销毁一个初始化过的锁。使用此函数销毁一个mutex，可以再次初始化。 如果尝试销毁一个锁定状态的mutex会导致未知行为。
除了使用 pthread_mutex_init 函数对 mutex 进行初始化，还可以使用特定的宏在声明 mutex 的时候直接赋值进行静态初始化。例如：
// 普通mutex
pthread_mutex_t fastmutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 可递归mutex
pthread_mutex_t recmutex = PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t recmutex = PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP;
// 有错误检查的mutex，同一线程重复加锁报错
pthread_mutex_t errchkmutex = PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t errchkmutex = PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP;
上面那个带不带NP后缀取决于系统，我用的Ubuntu18.04对应的宏为PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP。
加锁与解锁
// 普通加锁，重复加锁会阻塞进程
int pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *__mutex);
// 重复加锁不阻塞进程
int pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *__mutex);
// 带有超时功能加锁
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abs_timeout);
// 解锁
int pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *__mutex);
pthread_mutex_lock对一个 mutex 加锁。如果一个线程试图锁定一个已经被另一个线程锁定的互斥锁，那么该线程将被挂起，直到拥有该互斥锁的线程先解锁该互斥锁。 默认的 mutex 在同一个线程里再次被加锁会导致未定义行为，如果定义 mutex 为 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 类型，即可递归 mutex ，则这个锁可以在同一个线程内重复加锁，每次加锁计数器+1，每次解锁计数器-1，当计数器为0 的时候其他线程才可以获取这个锁。
pthread_mutex_trylock 功能与pthread_mutex_lock，只是当mutex已经是锁定的时候，pthread_mutex_trylock直接返回错误码EBUSY，而不是阻塞进程。
pthread_mutex_timedlock也是加锁，但是只阻塞指定的时间，时间一到还没能获取锁则返回错误码ETIMEDOUT。
pthread_mutex_unlock为解锁。如果互斥锁未被锁定，尝试解锁会导致未定义行为。
示例
让一个数从0加到10，然后再减到0。
#include
#include
int gValue=0;
pthread_mutex_t gMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *add(void*){
pthread_mutex_lock(&gMutex); // 加锁
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
printf("[1]%d ", ++gValue);
}
pthread_mutex_unlock(&gMutex); // 解锁
}
void *sub(void*){
pthread_mutex_lock(&gMutex); // 加锁
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
printf("[2]%d ", --gValue);
}
pthread_mutex_unlock(&gMutex); // 解锁
}
int main() {
pthread_t p1, p2;
pthread_create(&p1, NULL, add, NULL);
pthread_create(&p2, NULL, sub, NULL);
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
return 0;
}
输出： [1]1 [1]2 [1]3 [1]4 [1]5 [1]6 [1]7 [1]8 [1]9 [1]10 [2]9 [2]8 [2]7 [2]6 [2]5 [2]4 [2]3 [2]2 [2]1 [2]0 不加锁的话输出就比较乱了。
2. C 读写锁 rwlock
前面说过互斥锁要么是lock状态，要么是unlock状态，而且一次只能一个线程对其加锁。也就是说这个锁是排他性的，每次只能一个线程拥有。 读写锁，顾名思义用在读写的地方，读写的地方要求就是如果是写的话只能一个线程拥有，防止写错覆盖新的值。如果是读状态可以多个线程拥有，这样就提高了效率，读写锁用于对数据结构读的次数远大于写的情况。 读写锁可以设置为两种加锁状态，即读锁定和写锁定状态。
当处于写锁定状态时，所有加锁操作都会被阻塞。当处于读锁定状态时，所有试图设置读锁定都会成功，所有试图设置写锁定都会被阻塞，并且还会阻塞后续所有的读锁定加锁操作，直到所有的读锁定都被解锁。
初始化与去初始化 与互斥锁使用方式类似，都需要初始化和去初始化操作。
#include
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
初始化的时候同样可以使用常量PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER来定义个默认的读写锁。
加锁与解锁
// 加 读 状态的锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 不阻塞版本，成功则返回0
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 加 写 状态的锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 不阻塞版本，成功则返回0
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
pthread_rwlock_rdlock 是读模式下锁，pthread_rwlock_wrlock 是写模式下锁定，这两种锁定模式都使用同一个函数pthread_rwlock_unlock进行解锁。
示例
写了个非常傻瓜式的小程序来验证这个读写锁的功能。有两个函数一个是往数组里面写字符，一个是读字符，里面都加了sleep模拟耗时的操作。
#include
#include
#include
char str[10];
size_t pos = 0;
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;
// 每次写一个字符
void *writeData(void *name)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); // 写 加锁
sleep(1);
str[pos] = 'a' + pos;
pos++;
printf("%s %ld write\n", (char *)name, time(NULL));
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 通用解锁函数
}
// 读数组中字符串
void *readData(void *name)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); // 读 加锁
sleep(1);
printf("%s %ld read: str = %s\n", (char *)name, time(NULL), str);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); // 通用解锁函数
}
int main()
{
// 搞了6个线程干起来
pthread_t p[6];
pthread_create(&p[0], NULL, writeData, (void *)"p1"); // 读
pthread_create(&p[1], NULL, readData, (void *)"p2"); // 写
pthread_create(&p[2], NULL, writeData, (void *)"p3"); // 读
pthread_create(&p[3], NULL, readData, (void *)"p4"); // 写
pthread_create(&p[4], NULL, writeData, (void *)"p5"); // 读
pthread_create(&p[5], NULL, readData, (void *)"p6"); // 写
for (int i = 0; i < 6; ++i)
{
pthread_join(p[i], NULL);
}
return 0;
}
如果没有锁的话，这几个操作应该都是随机的。如果读和写函数是用的互斥锁，那么这几个函数的输出也应该是随机的。 但是输出结果是这样的。
p1 1594130585 write
p4 1594130586 read: str = a
p6 1594130586 read: str = a
p2 1594130586 read: str = a
p3 1594130587 write
p5 1594130588 write
每次输出read的几个线程都是几乎同时输出的，因为当有人锁定write锁的时候，没人可以获取锁。当有人锁定read锁的时候，其他write的会阻塞，但是其他read不会被阻塞，所以read可以同时执行。有问题的话欢迎指出。
3. C++ mutex
C++中的锁 mutex 其实是对C语言 mutex 进行面向对象的封装，根据不同特定封装成不同的mutex类，并添加一些安全性检查之类的特性。可以认为每种mutex类内部都有一个C mutex成员变量。 常见的mutex有如下几种：
C++ mutex功能解释std::mutex普通mutexstd::timed_mutex带有有时限锁定功能的mutexstd::recursive_mutex可被同一线程递归锁定的mutexrecursive_timed_mutex可被同一线程递归锁定的，且带有时限的mutexshared_mutex共享mutex
std:mutex
std::mutex 是个普通的C mutex封装，大概是下面这个样子，当然还有一些安全性检查等。
class mutex
{
public:
void lock() {
pthread_mutex_lock(&_M_mutex);
}
bool try_lock() {
return !pthread_mutex_trylock(&_M_mutex);
}
void unlock() {
pthread_mutex_unlock(&_M_mutex);
}
pthread_mutex_t* native_handle() { return &_M_mutex; }
pthread_mutex_t _M_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 我是最普通的那个mutex
};
使用方面和C mutex 差不多，例如
int gValue=0;
std::mutex gMutex;
void add(){
gMutex.lock();
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
printf("[1]%d ", ++gValue);
}
gMutex.unlock();
}
std::timed_mutex
普通的mutex获取不到锁会一直阻塞，std::timed_mutex多了个可以只阻塞一段时间的加锁函数。
可以理解为给 std::mutex 增加了一个对C mutex int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abs_timeout);封装的函数，然后起名为std::timed_mutex，这个封装的函数为
template< class Rep, class Period >
bool try_lock_for( const std::chrono::duration
template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point
try_lock_for 为阻塞指定时长，没有获取到锁就返回false。参数是时间长度。 try_lock_until 为阻塞到指定时间，没有获取到锁就返回false。参数是时间点。
示例：
int gValue=0;
std::timed_mutex gMutex;
void f(){
// 一段时长，可以使用其他 std::chrono:: 时间单位
std::chrono::milliseconds timeout(10);
if (gMutex.try_lock_for(timeout)) {
// TODO:获取到了mutex，开始干活
...
gMutex.unlock(); // 干完活了，解锁
} else {
// 时间到了，也没获取到mutex，干点别的吧
}
}
void g(){
auto now=std::chrono::steady_clock::now();
if (gMutex.try_lock_until(now + std::chrono::seconds(10)) {
// TODO:获取到了mutex，开始干活
...
gMutex.unlock(); // 干完活了，解锁
} else {
// 时间到了，也没获取到mutex，干点别的吧
}
}
std::recursive_mutex
std::recursive_mutex 是带有计数功能的，可以在同一个线程内递归lock的锁。和 C mutex 中的 PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX 相同。 std::recursive_mutex 类提供3个成员函数：lock、try_lock 和 unlock 。
std::recursive_timed_mutex
std::recursive_timed_mutex 是带有延时功能的可递归 mutex， 比 std::recursive_mutex 多了两个函数：try_lock_for 和 try_lock_until。
4. C++ mutex 管理类
std::lock_guard
lock_guard 是严格基于作用域的RAII风格的 mutex 所有权包装器。 每次使用 mutex 的时候都先调用lock()再调用unlock()，lock_guard在构造函数中加锁，在析构函数中解锁，在栈上申请的内存，超过作用域自动析构就解锁了。使用起来比较方便。 示例：
int gValue=0;
std::mutex gMutex;
void add(){
// 栈内存实例化lock_guard，构造函数中有lock()
std::lock_guard
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
printf("[1]%d ", ++gValue);
}
// 超出作用域lock_guard执行析构，析构函数中调用unlock()
}
等效于
void add(){
gMutex.lock();
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
printf("[1]%d ", ++gValue);
}
gMutex.unlock();
}
std::unique_lock
std::unique_lock也可以提供自动加锁、解锁功能，比std::lock_guard更加灵活，功能强大。 详细描述找机会再总结。
std::shared_lock
std::scoped_lock