一、互斥原理（mutex）

互斥鎖可以確保在任何時(shí)候只有一個(gè)線(xiàn)程能夠進(jìn)入臨界區(qū)。當(dāng)線(xiàn)程需要進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)，它會(huì)嘗試獲取互斥鎖的所有權(quán)，如果互斥鎖已經(jīng)被其他線(xiàn)程占用，那么當(dāng)前線(xiàn)程就會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到互斥鎖被釋放為止。簡(jiǎn)單說(shuō)就是一塊區(qū)域只能被一個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行。

當(dāng)一個(gè)線(xiàn)程獲取到互斥鎖的所有權(quán)后，它就可以進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行操作，當(dāng)操作完成后，它需要釋放互斥鎖，讓其他線(xiàn)程有機(jī)會(huì)進(jìn)入臨界區(qū)。

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖的示例代碼，它演示了如何使用 std::mutex 類(lèi)來(lái)保護(hù)臨界區(qū)：

 
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
// 定義互斥鎖
std::mutex g_mutex;
 
// 臨界區(qū)代碼
void critical_section(int thread_id) {
    // 加鎖
    g_mutex.lock();
    // 訪(fǎng)問(wèn)共享資源
    std::cout << "Thread " << thread_id << " enter critical section." << std::endl;
    // 釋放鎖
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
    g_mutex.unlock();
}
 
int main() {
    // 創(chuàng)建兩個(gè)線(xiàn)程
    std::thread t1(critical_section, 1);
    std::thread t2(critical_section, 2);
    // 等待兩個(gè)線(xiàn)程執(zhí)行完成
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

main中創(chuàng)建兩個(gè)線(xiàn)程去訪(fǎng)問(wèn)資源，但是其中一個(gè)需要等待另一個(gè)線(xiàn)程5s釋放后才能訪(fǎng)問(wèn)，形成對(duì)資源的鎖定。

上面的例子使用的是std::mutex實(shí)現(xiàn)互斥鎖，需要注意這個(gè)互斥鎖的聲明需要相對(duì)的全局變量，也就是說(shuō)對(duì)于使用鎖的部分它必須是“全局的”。

二、遞歸互斥量（Recursive Mutex）

C++ 中的遞歸互斥量（Recursive Mutex）是一種特殊的互斥量，它可以被同一個(gè)線(xiàn)程多次鎖定，而不會(huì)發(fā)生死鎖。遞歸互斥量的實(shí)現(xiàn)原理是，在鎖定時(shí)維護(hù)一個(gè)鎖定計(jì)數(shù)器，每次解鎖時(shí)將計(jì)數(shù)器減一，只有當(dāng)計(jì)數(shù)器為 0 時(shí)才會(huì)釋放鎖。

以下是遞歸互斥量的示例代碼：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
std::recursive_mutex mtx;
 
void foo(int n) {
    mtx.lock();
    std::cout << "Thread " << n << " locked the mutex." << std::endl;
    if (n > 1) {
        foo(n - 1);
    }
    std::cout << "Thread " << n << " unlocked the mutex." << std::endl;
    mtx.unlock();
}
 
int main() {
    std::thread t1(foo, 3);
    std::thread t2(foo, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)遞歸函數(shù) foo()，它接受一個(gè)整數(shù)參數(shù) n，表示當(dāng)前線(xiàn)程的編號(hào)。在函數(shù)中，我們首先使用遞歸互斥量 mtx 鎖定當(dāng)前線(xiàn)程，然后輸出一條帶有線(xiàn)程編號(hào)的信息，接著判斷如果 n 大于 1，則遞歸調(diào)用 foo() 函數(shù)，并將參數(shù)減一。最后，我們輸出一條解鎖信息，并將遞歸互斥量解鎖。

在主函數(shù)中，我們創(chuàng)建了兩個(gè)線(xiàn)程 t1 和 t2，分別調(diào)用 foo() 函數(shù)，并傳入不同的參數(shù)值。由于遞歸互斥量可以被同一個(gè)線(xiàn)程多次鎖定，因此在 t1 線(xiàn)程中對(duì) mtx 進(jìn)行了兩次鎖定，而在 t2 線(xiàn)程中只進(jìn)行了一次鎖定。

運(yùn)行結(jié)果：

可以看到，遞歸互斥量可以被同一個(gè)線(xiàn)程多次鎖定，并且在解鎖時(shí)必須對(duì)應(yīng)減少鎖定計(jì)數(shù)器。這種機(jī)制可以避免死鎖的發(fā)生，但也需要注意使用時(shí)的線(xiàn)程安全問(wèn)題。

三、讀寫(xiě)鎖（Read-Write Lock）

讀寫(xiě)鎖（Read-Write Lock）是一種特殊的互斥鎖，用于在多線(xiàn)程環(huán)境下對(duì)共享資源進(jìn)行讀寫(xiě)操作。它允許多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)讀取共享資源，但只允許一個(gè)線(xiàn)程寫(xiě)入共享資源。讀寫(xiě)鎖的使用可以提高并發(fā)性能，特別是當(dāng)讀操作比寫(xiě)操作頻繁時(shí)。

在 C++ 中，讀寫(xiě)鎖可以通過(guò) std::shared_mutex 類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例代碼，演示了如何使用讀寫(xiě)鎖來(lái)保護(hù)一個(gè)共享的整型變量：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <shared_mutex>
 
std::shared_mutex rw_lock; // 讀寫(xiě)鎖
int shared_var = 0; // 共享變量
 
// 寫(xiě)線(xiàn)程函數(shù)
void writer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 獨(dú)占寫(xiě)鎖
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock);
 
        // 寫(xiě)共享變量
        ++shared_var;
        std::cout << "Writer thread: write shared_var=" << shared_var << std::endl;
 
        // 等待一段時(shí)間
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}
 
// 讀線(xiàn)程函數(shù)
void reader(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 共享讀鎖
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock);
 
        // 讀共享變量
        int value = shared_var;
        std::cout << "Reader thread " << id << ": read shared_var=" << value << std::endl;
 
        // 等待一段時(shí)間
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}
 
int main() {
    std::thread t1(writer);
    std::thread t2(reader, 1);
    std::thread t3(reader, 2);
    std::thread t4(reader, 3);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    t4.join();
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)共享變量 shared_var 和一個(gè)讀寫(xiě)鎖 rw_lock。寫(xiě)線(xiàn)程函數(shù) writer() 獨(dú)占寫(xiě)鎖，對(duì) shared_var 進(jìn)行自增操作，并輸出當(dāng)前的值。讀線(xiàn)程函數(shù) reader() 共享讀鎖，讀取 shared_var 的值，并輸出當(dāng)前的值。所有的線(xiàn)程都會(huì)等待一段時(shí)間，以模擬實(shí)際的操作。

在主函數(shù)中，我們創(chuàng)建了一個(gè)寫(xiě)線(xiàn)程和三個(gè)讀線(xiàn)程。由于讀寫(xiě)鎖的特性，讀線(xiàn)程可以并發(fā)讀取共享變量，而寫(xiě)線(xiàn)程會(huì)獨(dú)占寫(xiě)鎖，只有在寫(xiě)操作完成之后，讀線(xiàn)程才能再次讀取共享變量。因此，輸出結(jié)果中讀線(xiàn)程的順序可能會(huì)有所不同，但是寫(xiě)線(xiàn)程的操作一定是順序執(zhí)行的。

注意，這里使用 std::unique_lockstd::shared_mutex 類(lèi)型的對(duì)象來(lái)獲取獨(dú)占寫(xiě)鎖，使用 std::shared_lockstd::shared_mutex 類(lèi)型的對(duì)象來(lái)獲取共享讀鎖。這些鎖對(duì)象會(huì)在作用域結(jié)束時(shí)自動(dòng)解鎖，避免了手動(dòng)解鎖的問(wèn)題。

四、條件變量（Condition Variable）

條件變量（Condition Variable）是一種線(xiàn)程間同步機(jī)制，用于在某些特定條件下阻塞或喚醒線(xiàn)程。在 C++ 中，條件變量是通過(guò) std::condition_variable 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

下面是一個(gè)使用條件變量的示例代碼，其中有兩個(gè)線(xiàn)程，一個(gè)線(xiàn)程不停地生產(chǎn)數(shù)據(jù)，另一個(gè)線(xiàn)程則等待數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)可用時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行消費(fèi)。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
 
std::queue<int> data_queue; // 數(shù)據(jù)隊(duì)列
std::mutex data_mutex; // 互斥鎖
std::condition_variable data_cond; // 條件變量
 
// 生產(chǎn)數(shù)據(jù)函數(shù)
void producer() {
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        // 生產(chǎn)數(shù)據(jù)
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "Producer thread: produce data " << i << std::endl;
 
        // 喚醒消費(fèi)線(xiàn)程
        data_cond.notify_one();
    }
}
 
// 消費(fèi)數(shù)據(jù)函數(shù)
void consumer() {
    while (true) {
        // 等待數(shù)據(jù)
        std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
        data_cond.wait(lock, [] { return !data_queue.empty(); });
 
        // 消費(fèi)數(shù)據(jù)
        int data = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        std::cout << "Consumer thread: consume data " << data << std::endl;
 
        // 檢查是否結(jié)束
        if (data == 10) {
            break;
        }
    }
}
 
int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列 data_queue 和一個(gè)互斥鎖 data_mutex，同時(shí)定義了一個(gè)條件變量 data_cond。生產(chǎn)數(shù)據(jù)的函數(shù) producer() 不停地往隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)，每次添加完數(shù)據(jù)之后，通過(guò)調(diào)用 data_cond.notify_one() 喚醒等待的消費(fèi)線(xiàn)程。消費(fèi)數(shù)據(jù)的函數(shù) consumer() 通過(guò)調(diào)用 data_cond.wait(lock, [] { return !data_queue.empty(); }) 來(lái)等待數(shù)據(jù)，當(dāng)隊(duì)列中有數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)從隊(duì)列中取出并消費(fèi)，如果取出的數(shù)據(jù)是最后一個(gè)，則退出循環(huán)。

在主函數(shù)中，我們創(chuàng)建了一個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)程和一個(gè)消費(fèi)線(xiàn)程。生產(chǎn)線(xiàn)程生產(chǎn) 10 個(gè)數(shù)據(jù)，消費(fèi)線(xiàn)程從隊(duì)列中消費(fèi)數(shù)據(jù)，直到消費(fèi)到最后一個(gè)數(shù)據(jù)為止。

注意，這里使用了 std::unique_lockstd::mutex 類(lèi)型的對(duì)象來(lái)獲取互斥鎖，并使用 lambda 表達(dá)式 [] { return !data_queue.empty(); } 來(lái)判斷條件是否滿(mǎn)足。在調(diào)用 wait() 函數(shù)時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程會(huì)阻塞，直到條件變量被其他線(xiàn)程喚醒或超時(shí)。當(dāng) wait() 函數(shù)返回時(shí)，當(dāng)前線(xiàn)程會(huì)重新獲取互斥。

簡(jiǎn)單一些的例子：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
 
bool ready = false; // 條件變量
std::mutex data_mutex; // 互斥鎖
std::condition_variable data_cond; // 條件變量
 
void do_something() {
    // 模擬工作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
}
 
void waiting_thread() {
    // 等待條件變量
    std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
    data_cond.wait(lock, [] { return ready; });
 
    // 條件滿(mǎn)足后輸出一句話(huà)
    std::cout << "Condition satisfied, waiting thread resumes." << std::endl;
    do_something();
}
 
int main() {
    std::thread t1(waiting_thread);
 
    // 模擬條件滿(mǎn)足后的操作
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(data_mutex);
        ready = true;
        data_cond.notify_one();
    }
 
    t1.join();
    return 0;
}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)條件變量 ready 和一個(gè)互斥鎖 data_mutex，同時(shí)定義了一個(gè)條件變量 data_cond。等待條件變量的函數(shù) waiting_thread() 首先獲取互斥鎖，然后通過(guò)調(diào)用 data_cond.wait(lock, [] { return ready; }) 等待條件變量，當(dāng) ready 為 true 時(shí)，線(xiàn)程會(huì)被喚醒，輸出一句話(huà)，并模擬一些工作的操作。在主函數(shù)中，我們創(chuàng)建了一個(gè)等待條件變量的線(xiàn)程 t1，然后模擬條件滿(mǎn)足后的操作，即將 ready 設(shè)置為 true，然后通過(guò)調(diào)用 data_cond.notify_one() 喚醒等待的線(xiàn)程。 

五、總結(jié)

互斥鎖保證了計(jì)算機(jī)資源訪(fǎng)問(wèn)的安全，互斥鎖的不當(dāng)使用同時(shí)也加大了程序阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。

提前祝大家五一前工作生活學(xué)習(xí)一切順利。

到此這篇關(guān)于C++ 互斥鎖原理以及實(shí)際使用介紹的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ 互斥鎖原理及使用內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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