Linux C/C++ 中锁的使用总结

程序员文章站 2022-03-03 20:50:31

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 ....

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 <pthread.h>
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 <pthread.h>
#include <stdio.h>

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 <pthread.h>    

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 <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

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mutex
std::timed_mutex	带有有时限锁定功能的mutex
std::recursive_mutex	可被同一线程递归锁定的mutex
recursive_timed_mutex	可被同一线程递归锁定的，且带有时限的mutex
shared_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<Rep,Period>& timeout_duration );

template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point<Clock,Duration>& timeout_time );

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<std::mutex> guard(gMutex);	
    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

本文地址：https://blog.csdn.net/shaosunrise/article/details/107620885

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Linux C/C++ 中锁的使用总结

1. C 互斥锁 mutex

示例

2. C 读写锁 rwlock

示例

3. C++ mutex

std:mutex

std::timed_mutex

std::recursive_mutex

std::recursive_timed_mutex

4. C++ mutex 管理类

std::lock_guard

std::unique_lock

std::shared_lock

std::scoped_lock

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