std::thread執行緒庫詳解（2）
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簡介
上一篇博文中，介紹了一下如何建立一個執行緒，分別是std::thread和std::jthread (C++20)。這兩種方法相似，std::jthread相對來說，更加方便一些，具體可以再看看原來的博文，std::thread執行緒詳解（1）。
這一次，我將介紹一下，多執行緒的鎖。鎖在多執行緒中是使用非常廣泛的。是多執行緒中最常見的同步方式。主要介紹的鎖有mutex，recursive_mutex
shared_mutex。
最基本的鎖 std::mutex
使用
std::mutex是最基本的鎖，也是最常見的鎖。它提供了最基本的多執行緒程式設計同步方法。
using namespace std::chrono_literals; std::mutex g_mutex; void thread_func() { g_mutex.lock(); std::cout << "Thread out 1: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;; std::this_thread::sleep_for(1s); std::cout << "Thread out 2: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;; g_mutex.unlock(); } int main() { std::cout << "Mutex Test." << std::endl; std::thread thread1(thread_func); std::thread thread2(thread_func); thread1.join(); thread2.join(); return 0; }
以上示例中，只有一個執行緒函式thread_func，它的工作很簡單：
首先對g_mutex加鎖，然後輸出一段字串，接著休眠1s，輸出第二段字串，最後對g_mutex進行解鎖。
輸出結果如下：
鎖的本質是解決多執行緒對同一資源競爭讀寫的問題。這裡我們的資源是標準輸出std::cout。鎖的存在讓輸出有序，可預測了。
方法和屬性
lock()為物件加鎖，如果已經被鎖了，則阻塞執行緒；try_lock()嘗試加鎖，如果已經被加鎖，則返回false，否則將對其進行加鎖並返回true；unlock()為物件解鎖，通常和加鎖（lock()，try_lock()）成對出現；native_handle()返回鎖的POSIX標準物件。
遞迴鎖 std::recursive_mutex
std::recursive_mutex是一個遞迴鎖，方法和使用都和std::mutex類似。唯一的不同是，std::mutex在同一時間，只允許加鎖一次，而std::revursive_mutex允許同一執行緒下進行多次加鎖。如：
// 定義遞迴鎖
std::recursive_mutex g_mutex;
// 執行緒函式
void thread_func(int thread_id, int time) {
g_mutex.lock();
std::cout << "Thread " << thread_id << ": " << time << std::endl;
if (time != 0) thread_func(thread_id, time - 1);
g_mutex.unlock();
}
// 初始化執行緒
std::thread thread1(thread_func, 1, 3);
std::thread thread2(thread_func, 2, 4);
這一次的方法和之前的略有不同，為了更加直觀的觀察不同的執行緒，這次是在輸入的時候輸入一個標誌來區分不同的執行緒。可以清楚的看到，這是一個遞迴函式，每次呼叫的時候都將time減少1，直到其變為0。需要注意的是，在遞迴的時候並沒有釋放鎖，而是直接進入，因此在第二層遍歷的時候，又會對g_mutex進行一次加鎖，如果是普通的鎖，次數將會阻塞程序，變成死鎖。但是此時使用的是遞迴鎖，它允許在同一個執行緒，多次加鎖，因此這個程式可以成功執行，並獲得輸出。
遞迴鎖的方法和普通鎖的方法類似。
共享鎖 std::shared_mutex (C++17)
std::shared_mutex在C++14已經存在了，但是在C++14中的std::shared_mutex是帶timing的版本的讀寫鎖（也就是說，C++14中的std::shared_mutex等於C++17中的std::shared_timed_mutex）。讀寫鎖有兩種加鎖的方式，一種是shared_lock()，另一種lock()。shared_lock是讀模式，而lock是寫模式。讀寫鎖允許多個讀加鎖，而寫加鎖和其他所有加鎖互斥。即同一時間下：
- 允許多個執行緒同時讀；
- 只允許一個執行緒寫；
- 寫的時候不允許讀，讀的時候不允許寫。
示例：
// 共享鎖
std::shared_mutex g_mutex;
// 讀執行緒 1
void thread_read_1_func(int thread_id) {
// 第一個獲取讀許可權
g_mutex.lock_shared();
std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 1." << std::endl;
// 睡眠2s,等待讀執行緒2，獲取讀許可權，確認可以多個執行緒進行讀加鎖
std::this_thread::sleep_for(2s);
std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 2." << std::endl;
// 解鎖讀
g_mutex.unlock_shared();
}
void thread_read_2_func(int thread_id) {
// 睡眠500ms，確保讀執行緒1先獲取鎖
std::this_thread::sleep_for(500ms);
g_mutex.lock_shared();
std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 1." << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(3s);
std::cout << "Read thread " << thread_id << " out 2." << std::endl;
g_mutex.unlock_shared();
}
void thread_write_1_func(int thread_id) {
// 確保讀執行緒先獲得鎖，確認讀寫互斥
std::this_thread::sleep_for(300ms);
g_mutex.lock();
std::cout << "Write thread " << thread_id << " out 1." << std::endl;
g_mutex.unlock();
}
其輸出為：
帶超時的鎖
上面介紹的所有的鎖，都帶有超時版本。即timed_mutex，recursive_timed_mutex，shared_timed_mutex。他們使用時，和普通版本類似，不過try_lock方法多了兩個超時的版本try_lock_for和try_lock_until。呼叫這一函式時，如果鎖已經被獲取了，執行緒將會阻塞一段時間，如果這一段時間內，獲取到了鎖則返回true，否則返回false
這裡我們只介紹timed_mutex，其他的類似。
void thread_func(int thread_id) {
if (!g_mutex.try_lock_for(0.5s)) return;
std::cout << "Thread out 1: " << thread_id << std::endl;;
std::this_thread::sleep_for(1s);
std::cout << "Thread out 2: " << thread_id << std::endl;;
g_mutex.unlock();
g_mutex.native_handle();
}
其輸出為:
可以看到，這裡只有一個執行緒有輸出，另一個執行緒，在等待0.5s後直接退出了（沒有獲取到鎖）。
總結
本文主要介紹了三種不同的鎖，普通鎖，遞迴鎖，讀寫鎖。三個鎖有著不一樣的使用方法，但是可以確定的是，過多的使用鎖，會導致程式中的序列部分過多，並行效果不好。因此對於鎖的使用，需要儘量的剋制，儘量的合理。
下一篇文章將介紹鎖的管理。