淺談c++11線程的互斥量

為什麼需要互斥量

在多任務操作系統中,同時運行的多個任務可能都需要使用同一種資源。這個過程有點類似於,公司部門裡,我在使用著打印機打印東西的同時(還沒有打印完),別人剛好也在此刻使用打印機打印東西,如果不做任何處理的話,打印出來的東西肯定是錯亂的。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>

// 打印機
void printer(const char *str)
{
    while(*str != '\0')
    {
        std::cout << *str;
        str++;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    }
    std::cout << std::endl;
}

// 線程一
void func1()
{
    const char *str = "hello";
    printer(str);
}

// 線程二
void func2()
{
    const char *str = "world";
    printer(str);
}


void mytest()
{
    std::thread t1(func1);
    std::thread t2(func2);

    t1.join();
    t2.join();

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

獨占互斥量std::mutex

互斥量的基本接口很相似,一般用法是通過lock()方法來阻塞線程,直到獲得互斥量的所有權為止。在線程獲得互斥量並完成任務之後,就必須使用unlock()來解除對互斥量的占用,lock()和unlock()必須成對出現。try_lock()嘗試鎖定互斥量,如果成功則返回true, 如果失敗則返回false,它是非阻塞的。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex g_lock; //全局互斥鎖對象,#include <mutex>

// 打印機
void printer(const char *str)
{
    g_lock.lock(); //上鎖
    while(*str != '\0')
    {
        std::cout << *str;
        str++;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    }
    std::cout << std::endl;
    g_lock.unlock(); // 解鎖
}

// 線程一
void func1()
{
    const char *str = "hello";
    printer(str);
}

// 線程二
void func2()
{
    const char *str = "world";
    printer(str);
}


void mytest()
{
    std::thread t1(func1);
    std::thread t2(func2);

    t1.join();
    t2.join();

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

使用std::lock_guard可以簡化lock/unlock的寫法,同時也更安全,因為lock_guard在構造時會自動鎖定互斥量,而在退出作用域後進行析構時就會自動解鎖,從而避免忘瞭unlock操作。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex g_lock; //全局互斥鎖對象,#include <mutex>

// 打印機
void printer(const char *str)
{
    std::lock_guard<std::mutex> locker(g_lock); // lock_guard 上鎖
    while(*str != '\0')
    {
        std::cout << *str;
        str++;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000));
    }
    std::cout << std::endl;
    // 即將推出作用域 lock_guard 會自動解鎖
}

// 線程一
void func1()
{
    const char *str = "hello";
    printer(str);
}

// 線程二
void func2()
{
    const char *str = "world";
    printer(str);
}


void mytest()
{
    std::thread t1(func1);
    std::thread t2(func2);

    t1.join();
    t2.join();

    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

原子操作

所謂的原子操作,取的就是“原子是最小的、不可分割的最小個體”的意義,它表示在多個線程訪問同一個全局資源的時候,能夠確保所有其他的線程都不在同一時間內訪問相同的資源。也就是他確保瞭在同一時刻隻有唯一的線程對這個資源進行訪問。這有點類似互斥對象對共享資源的訪問的保護,但是原子操作更加接近底層,因而效率更高。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>

//全局的結果數據
long total = 0;

//點擊函數
void func()
{
    for(int i = 0;  i < 1000000; ++i)
    {
        // 對全局數據進行無鎖訪問
        total += 1;
    }
}


void mytest()
{
    clock_t start = clock();    // 計時開始

    //線程
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();

    clock_t end = clock();    // 計時結束

    std::cout << "total = " << total << std::endl;
    std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl;


    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

由於線程間對數據的競爭而導致每次運行的結果都不一樣。因此,為瞭防止數據競爭問題,我們需要對total進行原子操作。

通過互斥鎖進行原子操作:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex g_lock;

//全局的結果數據
long total = 0;

//點擊函數
void func()
{
    for(int i = 0;  i < 1000000; ++i)
    {
        g_lock.lock(); // 加鎖
        total += 1;
        g_lock.unlock(); // 加鎖
    }
}


void mytest()
{
    clock_t start = clock();    // 計時開始

    //線程
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();

    clock_t end = clock();    // 計時結束

    std::cout << "total = " << total << std::endl;
    std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl;


    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

每次運行的結果都一樣,隻是耗時長點。

在新標準C++11,引入瞭原子操作的概念。

如果我們在多個線程中對這些類型的共享資源進行操作,編譯器將保證這些操作都是原子性的,也就是說,確保任意時刻隻有一個線程對這個資源進行訪問,編譯器將保證多個線程訪問這個共享資源的正確性。從而避免瞭鎖的使用,提高瞭效率。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <atomic>

//原子數據類型
std::atomic<long> total(0); //需要頭文件 #include <atomic>

//點擊函數
void func()
{
    for(int i = 0;  i < 1000000; ++i)
    {
        // 
        total += 1;
    }
}


void mytest()
{
    clock_t start = clock();    // 計時開始

    //線程
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);

    t1.join();
    t2.join();

    clock_t end = clock();    // 計時結束

    std::cout << "total = " << total << std::endl;
    std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl;


    return;
}

int main()
{
    mytest();

    system("pause");
    return 0;
}

原子操作的實現跟普通數據類型類似,但是它能夠在保證結果正確的前提下,提供比mutex等鎖機制更好的性能。

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