C++ mutex和lock

mutex用来协助采取独占方式控制对资源的并发访问，这里的资源可能是一个对象，或多个对象的组合，为了获得独占式的资源访问能力，相应的线程必须锁定mutex，这样可以防止其它线程也锁定该mutex。

下面两条线程如果没有使用mutex来同步，则输出结果会是112233。

mutex g_mutex;

void print123() 
{
    g_mutex.lock();
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        cout << i + 1;
    }
    g_mutex.unlock();
}
 
int main()
{
    thread(print123).detach();
    thread(print123).detach();//123123
    system("pause");
}

你应该确保mutex对象调用lock后，即使发生异常也会调用unlock，否则有可能造成资源被永远锁住或者死锁。

为此我们可以使用lock_guard来进行lock和unlock，lock_guard在构造时会lock，析构时会unlock，使用大括号对可以加快lock_guard的析构，需要注意的是lock_guard一定要分配变量名，否则不会有效果。

void print123()
{
    lock_guard<mutex> lockGuard(g_mutex);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        cout << i + 1;
    }
}

同一线程多次锁定mutex会导致程序终止，而recursive_mutex则不会，这个mutex允许同一线程多次锁定。

recursive_mutex g_mutex;
void print123()
{
    g_mutex.lock();
    g_mutex.lock();
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        cout << i + 1;
    }
    g_mutex.unlock();
    g_mutex.unlock();
}

有时候线程想要锁定mutex，但又不想其它线程已锁定mutex时阻塞，这种情况下可以使用try_lock，它试图锁定mutex，成功就返回true，失败返回false。

为了等待特定长度的时间，你可以使用timed_mutex或recursive_timed_mutex的try_lock_for或try_lock_until方法。

由于try_lock在返回true时会锁定mutex，为了防止lock_guard重复锁定，需要传递参数adopt_lock。

void print123() 
{
    if (g_mutex.try_lock()) {
        lock_guard<mutex>  lockGuard(g_mutex,adopt_lock);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
            cout << i + 1;
        }
    } else {
        cout << "mutex locked" <<endl;
    }
}
 
int main()
{
    thread(print123).detach();
    thread(print123).detach();
    system("pause");
}

通常一个线程一次只锁定一个mutex，然而有时候必须锁定多个mutex，如果一个个锁定，有可能出现锁定了第一个mutex，而无法锁定第二个mutex的情况。这种情况下可以使用全局函数lock锁定多个mutex。

mutex g_mutex1;
mutex g_mutex2;

void print123() 
{
    lock(g_mutex1, g_mutex2);
    lock_guard<mutex> lockGuard1(g_mutex1, adopt_lock);
    lock_guard<mutex> lockGuard2(g_mutex2, adopt_lock);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        cout << i + 1;
    }
}
 
int main()
{
    thread(print123).detach();
    thread(print123).detach();
    system("pause");
}

使用全局函数try_lock尝试锁定多个mutex，如果锁定所有mutex则返回-1，否则返回第一个失败的mutex的索引(从0开始)，并且所有被成功lock的mutex会又被unlock。

mutex g_mutex1;
mutex g_mutex2;

void print123() 
{
    lock(g_mutex1, g_mutex2);
    lock_guard<mutex> lockGuard1(g_mutex1, adopt_lock);
    lock_guard<mutex> lockGuard2(g_mutex2, adopt_lock);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(100));
        cout << i + 1;
    }
}

void printLockState()
{
    auto result = try_lock(g_mutex1, g_mutex2);
    cout << result << endl;
    if (result == -1) {
        lock_guard<mutex> lockGuard1(g_mutex1, adopt_lock);
        lock_guard<mutex> lockGuard2(g_mutex2, adopt_lock);
    }
}
 
int main()
{
    thread(print123).detach();
    thread(printLockState).detach();
    system("pause");
}

除了lock_guard，C++还提供一个类似的类unique_lock，它比lock_guard更灵活，unique_lock允许你明确指定何时锁定或解锁mutex，而lock_guard总是锁定mutex，如果unique_lock析构时mutex仍被锁住，析构函数会自动调用unlock，如果没有则不做任何事。

mutex g_mutex1;
timed_mutex g_mutex2;
 
int main()
{
    //尝试锁定mutex，但不会阻塞
    unique_lock<mutex> uniqueLock1(g_mutex1, try_to_lock);
    //尝试锁定mutex，不超过10秒
    unique_lock<timed_mutex> uniqueLock2(g_mutex2, chrono::seconds(10));
    //主动调用lock，try_lock，try_lock_for等才会锁定
    unique_lock<mutex> uniqueLock3(g_mutex1, defer_lock);
    //通过已锁定的mutex初始化
    unique_lock<mutex> uniqueLock4(g_mutex1, adopt_lock);
    //判断有没有锁定mutex
    cout << (uniqueLock1 ? "locked" : "unlocked")<< endl;
    cout << uniqueLock1.owns_lock() << endl;
    //解锁mutex
    uniqueLock1.unlock();
    //锁定mutex
    uniqueLock3.lock();
    system("pause");
}