【C++并发与多线程】 5_互斥量概念、用法、死锁演示及详解

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TianSong
    阅读 7 分钟

    互斥量的基本概念

    • 临界资源：每次只允许一个线程进行访问（读/写）的资源
    • 线程间的互斥（竞争）：多个线程在同一时刻都需要访问临界资源

    • mutex 类（互斥量）是一把线程锁，保证线程间的互斥

      • 利用线程锁能够保证临界资源的安全

    互斥量的用法

    lock

    • mutex.lock()

      • 当锁空闲时，获取并继续执行
      • 当锁被获取时，阻塞并等待锁释放

    • mutex.unlock()

      • 释放锁（同一把锁的获取和释放必须在同一线程中成对出现）

      如果 mutex 在调用 unlock() 时处于空闲状态，那么程序的行为是未定义的

    lock_guard

    • 在 lock_guard 对象构造时，传入的 mutex 对象（即它管理的 mutex 对象）会被当前线程锁住。
    • 在 lock_guard 对象被析构时，它所管理的 mutex 对象会自动解锁，不再需要手动调用 lock 和 unlock 对mutex 进行上锁和解锁操作；
    • lock_guard 对象并不负责 mutex 对象的生命周期，只是简化了上锁和解锁操作；
    • 这种采用“资源分配时初始化”（RAII）方法来加锁、解锁，避免了在临界区中因为抛出异常或return等操作导致没有解锁就退出的问题。这极大的简化了编写mutex相关的异常处理代码。
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>

using namespace std;

class Handle {
public:
    void inMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex.lock();                     // 注意这里 ！！！

            cout << "inMsgRevQueue() : " << i << endl;
            m_queue.push(i);

            m_mutex.unlock();                   // 注意这里 ！！！
        }
    }

    void outMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            lock_guard<mutex> lck(m_mutex);     // 注意这里 ！！！

            if (!m_queue.empty())
            {
                cout << "outMsgRevQueue() : " << m_queue.front() << endl;
                m_queue.pop();
            }
        }
    }

private:
    queue<int> m_queue;
    mutex m_mutex;
};

int main()
{
    cout << "main begin" << endl;

    Handle handler;

    thread th1(&Handle::inMsgRevQueue, std::ref(handler));
    thread th2(&Handle::outMsgRevQueue, std::ref(handler));

    th1.join();
    th2.join();

    cout << "main end" << endl;

    return 0;
}

    输出：

    ......

outMsgRevQueue() : 98267
outMsgRevQueue() : 98268
outMsgRevQueue() : 98269
outMsgRevQueue() : 98270
main end

    死锁

    • 概念

      • 线程间互相等待临界资源而造成彼此无法继续向下运行

    • 发生死锁的条件

      • 系统存在多个临界资源且临界资源不可抢占
      • 线程需要多个临界资源才能继续运行

    image.png
    image.png

    死锁的演示

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>

using namespace std;

class Handle {
public:
    void inMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex1.lock();
            m_mutex2.lock();

            cout << "inMsgRevQueue() : " << i << endl;
            m_queue.push(i);

            m_mutex2.unlock();
            m_mutex1.unlock();
        }
    }

    void outMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex2.lock();
            m_mutex1.lock();

            if (!m_queue.empty())
            {
                cout << "outMsgRevQueue() : " << m_queue.front() << endl;
                m_queue.pop();
            }

            m_mutex1.unlock();
            m_mutex2.unlock();
        }
    }

private:
    queue<int> m_queue;
    mutex m_mutex1;
    mutex m_mutex2;
};

int main()
{
    cout << "main begin" << endl;

    Handle handler;

    thread th1(&Handle::inMsgRevQueue, std::ref(handler));
    thread th2(&Handle::outMsgRevQueue, std::ref(handler));

    th1.join();
    th2.join();

    cout << "main end" << endl;

    return 0;
}

    输出：

    inMsgRevQueue() : 63
inMsgRevQueue() : 64
inMsgRevQueue() : 65
inMsgRevQueue() : 66
inMsgRevQueue() : 67

不再输出 ...

    死锁的避免

    死锁的一般解决方案

    • 对所有的临界资源都分配一个唯一的编号 (n1, n2, n3)
    • 对应的线程锁也分配同样的序号 （m1, m2, m3）
    • 系统中的每个线程按照严格递增（递减）的次序请求资源

    image.png

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>

using namespace std;

class Handle {
public:
    void inMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex1.lock();
            m_mutex2.lock();

            cout << "inMsgRevQueue() : " << i << endl;
            m_queue.push(i);

            m_mutex2.unlock();
            m_mutex1.unlock();
        }
    }

    void outMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex1.lock();
            m_mutex2.lock();

            if (!m_queue.empty())
            {
                cout << "outMsgRevQueue() : " << m_queue.front() << endl;
                m_queue.pop();
            }

            m_mutex2.unlock();
            m_mutex1.unlock();
        }
    }

private:
    queue<int> m_queue;
    mutex m_mutex1;
    mutex m_mutex2;
};

int main()
{
    cout << "main begin" << endl;

    Handle handler;

    thread th1(&Handle::inMsgRevQueue, std::ref(handler));
    thread th2(&Handle::outMsgRevQueue, std::ref(handler));

    th1.join();
    th2.join();

    cout << "main end" << endl;

    return 0;
}

    输出：

    inMsgRevQueue() : 99995
inMsgRevQueue() : 99996
inMsgRevQueue() : 99997
inMsgRevQueue() : 99998
inMsgRevQueue() : 99999
main end

    std::lock 函数模板

    lock（mutex1, mutex2, ...）; 一次锁定两个或多个锁，用于处理多个互斥量

    • 当全部锁空闲时，获取并继续执行

    • 当全部锁未被获取时，阻塞并等待锁释放

      • 当只获取其中一部分锁，另一部分锁被其它线程锁定时，则释放当前已获取的锁，继续等待并重新尝试获取全部锁，以此防止死锁
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>

using namespace std;

class Handle {
public:
    void inMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex1.lock();
            m_mutex2.lock();

            cout << "inMsgRevQueue() : " << i << endl;
            m_queue.push(i);

            m_mutex2.unlock();
            m_mutex1.unlock();
        }
    }

    void outMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            lock(m_mutex1, m_mutex2);       // 注意这里 ！！！

            if (!m_queue.empty())
            {
                cout << "outMsgRevQueue() : " << m_queue.front() << endl;
                m_queue.pop();
            }

            m_mutex2.unlock();
            m_mutex1.unlock();
        }
    }

private:
    queue<int> m_queue;
    mutex m_mutex1;
    mutex m_mutex2;
};

int main()
{
    cout << "main begin" << endl;

    Handle handler;

    thread th1(&Handle::inMsgRevQueue, std::ref(handler));
    thread th2(&Handle::outMsgRevQueue, std::ref(handler));

    th1.join();
    th2.join();

    cout << "main end" << endl;

    return 0;
}

    输出：

    outMsgRevQueue() : 99599
outMsgRevQueue() : 99600
outMsgRevQueue() : 99601
outMsgRevQueue() : 99602
main end

    std::lock_guard 的 std::adopt_lock 参数

    使用 adopt_lock 构造的 unique_lock 和 lock_guard 对象在构造时不会锁定mutex对象，而是假定它已被当前线程锁定。

    #include <iostream>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>

using namespace std;

class Handle {
public:
    void inMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex.lock();

            cout << "inMsgRevQueue() : " << i << endl;
            m_queue.push(i);

            m_mutex.unlock();
        }
    }

    void outMsgRevQueue()
    {
        for (int i=0; i<100000; ++i)
        {
            m_mutex.lock();

            lock_guard<mutex> lck(m_mutex, adopt_lock);     // 注意这里 ！！！

            if (!m_queue.empty())
            {
                cout << "outMsgRevQueue() : " << m_queue.front() << endl;
                m_queue.pop();
            }
        }
    }

private:
    queue<int> m_queue;
    mutex m_mutex;
};

int main()
{
    cout << "main begin" << endl;

    Handle handler;

    thread th1(&Handle::inMsgRevQueue, std::ref(handler));
    thread th2(&Handle::outMsgRevQueue, std::ref(handler));

    th1.join();
    th2.join();

    cout << "main end" << endl;

    return 0;
}

    输出:

    ......

outMsgRevQueue() : 97515
outMsgRevQueue() : 97516
outMsgRevQueue() : 97517
outMsgRevQueue() : 97518
main end
    c++后端
    TianSong
    734 声望138 粉丝

    阿里山神木的种子在3000年前已经埋下，今天不过是看到当年注定的结果，为了未来的自己，今天就埋下一颗好种子吧

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