前言
鲜衣怒马少年时,不负韶华行且知。 -- 鹊桥仙
在多线程的编程中,共享数据的修改限制是必不可少的环节。期望的是:当一个线程访问共享数据期间,此数据不应该被其他线程修改;当某个线程修改了共享数据,应通知其他线程。
例如,买车票场景: 座位为共享数据,每个用户属于一个访问共享数据的线程,当一个用户开始购买某个座位车票期间,该座位就应该禁止被其他用户购买。从而避免同一个座位同时被两个用户买到。
通常情况下,解决类似并发问题,首先考虑舍弃并发;若迫不得已,互斥量(mutex)是一个很好选择。
「互斥量」 互斥锁是依赖互斥量实现的。互斥量可简单理解为仅有两种值true或false的信号量。
「互斥锁」 「互斥锁」基于「互斥量」实现,可用于共享数据访问的保护。即当线程访问共享数据时,有如下动作:
在Linux C中「互斥锁」有「pthread_mutex_t」方法,但是对于C++编程中,更推荐使用lock_guard、unqiue_lock。主要有以下优势:
对比「pthread_mutex_t」,功能都一样,只是使用上更加方便和灵活。毕竟经过c++大佬们深思熟虑设计出来的,如果没有优势,也就不会发布出来。
lock_guard功能与std::mutex的lock与ublock功能相同。不同的是,lock_guard析构时会自动解锁,使用时无须unlock。这就需要我们将共享资源的访问封装成尽可能小的函数,避免加锁时间过长。
「lock_guard类主要源码」
template<class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
using mutex_type = _Mutex;
// construct and lock
explicit lock_guard(_Mutex& _Mtx)
: _MyMutex(_Mtx)
{
_MyMutex.lock();
}
// construct but don't lock
lock_guard(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
: _MyMutex(_Mtx)
{
}
// destructor and unlocks
~lock_guard() noexcept
{
_MyMutex.unlock();
}
lock_guard(const lock_guard&) = delete;
lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;
private:
_Mutex& _MyMutex;
};
从构造与析构可以看出,lock_guard对象创建时会主动调用lock()加锁,销毁时会主动调用unlock()解锁。
unique_lock比lock_guard更加灵活,但性能不如lock_guard。unique_lock提供lock与unlock,同时析构时也会释放锁。
std::unique_lock 可以在构造时传递第二个参数用于管理互斥量,且能传递不同域中互斥量所有权。
「unique_lock类主要源码」
template<class _Mutex>
class unique_lock
{ // whizzy class with destructor that unlocks mutex
public:
typedef unique_lock<_Mutex> _Myt;
typedef _Mutex mutex_type;
// CONSTRUCT, ASSIGN, AND DESTROY
unique_lock() _NOEXCEPT
: _Pmtx(0), _Owns(false)
{ // default construct
}
explicit unique_lock(_Mutex& _Mtx)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
{ // construct and lock
_Pmtx->lock();
_Owns = true;
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, adopt_lock_t)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(true)
{ // construct and assume already locked
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, defer_lock_t) _NOEXCEPT
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
{ // construct but don't lock
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, try_to_lock_t)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock())
{ // construct and try to lock
}
template<class _Rep,
class _Period>
unique_lock(_Mutex& _Mtx,
const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock_for(_Rel_time))
{ // construct and lock with timeout
}
template<class _Clock,
class _Duration>
unique_lock(_Mutex& _Mtx,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(_Pmtx->try_lock_until(_Abs_time))
{ // construct and lock with timeout
}
unique_lock(_Mutex& _Mtx, const xtime *_Abs_time)
: _Pmtx(&_Mtx), _Owns(false)
{ // try to lock until _Abs_time
_Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
}
unique_lock(unique_lock&& _Other) _NOEXCEPT
: _Pmtx(_Other._Pmtx), _Owns(_Other._Owns)
{ // destructive copy
_Other._Pmtx = 0;
_Other._Owns = false;
}
unique_lock& operator=(unique_lock&& _Other)
{ // destructive copy
if (this != &_Other)
{ // different, move contents
if (_Owns)
_Pmtx->unlock();
_Pmtx = _Other._Pmtx;
_Owns = _Other._Owns;
_Other._Pmtx = 0;
_Other._Owns = false;
}
return (*this);
}
~unique_lock() _NOEXCEPT
{ // clean up
if (_Owns)
_Pmtx->unlock();
}
unique_lock(const unique_lock&) = delete;
unique_lock& operator=(const unique_lock&) = delete;
// LOCK AND UNLOCK
void lock()
{ // lock the mutex
_Validate();
_Pmtx->lock();
_Owns = true;
}
bool try_lock()
{ // try to lock the mutex
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock();
return (_Owns);
}
template<class _Rep,
class _Period>
bool try_lock_for(const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
{ // try to lock mutex for _Rel_time
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock_for(_Rel_time);
return (_Owns);
}
template<class _Clock,
class _Duration>
bool try_lock_until(
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& _Abs_time)
{ // try to lock mutex until _Abs_time
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
return (_Owns);
}
bool try_lock_until(const xtime *_Abs_time)
{ // try to lock the mutex until _Abs_time
_Validate();
_Owns = _Pmtx->try_lock_until(_Abs_time);
return (_Owns);
}
void unlock()
{ // try to unlock the mutex
if (!_Pmtx || !_Owns)
_THROW_NCEE(system_error,
_STD make_error_code(errc::operation_not_permitted));
_Pmtx->unlock();
_Owns = false;
}
// MUTATE
void swap(unique_lock& _Other) _NOEXCEPT
{ // swap with _Other
_STD swap(_Pmtx, _Other._Pmtx);
_STD swap(_Owns, _Other._Owns);
}
_Mutex *release() _NOEXCEPT
{ // disconnect
_Mutex *_Res = _Pmtx;
_Pmtx = 0;
_Owns = false;
return (_Res);
}
// OBSERVE
bool owns_lock() const _NOEXCEPT
{ // return true if this object owns the lock
return (_Owns);
}
explicit operator bool() const _NOEXCEPT
{ // return true if this object owns the lock
return (_Owns);
}
_Mutex *mutex() const _NOEXCEPT
{ // return pointer to managed mutex
return (_Pmtx);
}
private:
_Mutex *_Pmtx;
bool _Owns;
void _Validate() const
{ // check if the mutex can be locked
if (!_Pmtx)
_THROW_NCEE(system_error,
_STD make_error_code(errc::operation_not_permitted));
if (_Owns)
_THROW_NCEE(system_error,
_STD make_error_code(errc::resource_deadlock_would_occur));
}
};
// SWAP
template<class _Mutex>
void swap(unique_lock<_Mutex>& _Left,
unique_lock<_Mutex>& _Right) _NOEXCEPT
{ // swap _Left and _Right
_Left.swap(_Right);
}
unique_lock私有成员为指针 _Mutex *_Pmtx
,指向传递进来的互斥量,lock_guard私有成员为引用_Mutex& _MyMutex
,引用传递进的互斥量。这就决定了unique_lock能够实现传递互斥量的功能。
另外通过观察「unique_lock」几种构造,不同的情况可使用对应的构造创建对象:
unique_lock(mutex)
传递未被使用的mutex,通过。会上锁,无法获得锁时会阻塞。unique_lock(mutex, adopt_lock_t)
传递被使用过的mutex,且已经被上过锁,通过。无上锁动作,不阻塞。unique_lock(mutex, defer_lock_t)
传递被使用过的mutex,未被上过锁。无上锁动作,不阻塞。unique_lock(mutex, try_to_lock_t)
任何状态的mutex。尝试上锁,不阻塞。unique_lock(_Mutex& _Mtx, const chrono::duration<_Rep, _Period>& _Rel_time)
在指定时间长内尝试获取传递的mutex的锁返回。若无法获取锁,会阻塞到指定时间长。unique_lock(mutex_type& m,std::chrono::time_point<Clock,Duration> const& absolute_time)
在给定时间点尝试获取传递的mutex锁返回。若无法获取锁,会阻塞到指定时间点。unique_lock(unique_lock&& _Other)
将已经创建的unique_lock锁的所有权转移到新的锁。保持之前锁的状态,不阻塞。「unique_lock」的用法比较多,如果对锁的需求比较简单推荐使用「lock_guard」。当需要超时或者手动解锁等功能,可以考虑使用「unique_lock」
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