在 《C++11 併發指南三(std::mutex 詳解)》一文中咱們主要介紹了 C++11 標準中的互斥量(Mutex),並簡單介紹了一下兩種鎖類型。本節將詳細介紹一下 C++11 標準的鎖類型。html
C++11 標準爲咱們提供了兩種基本的鎖類型,分別以下:ios
另外還提供了幾個與鎖類型相關的 Tag 類,分別以下:程序員
std::adopt_lock_t,一個空的標記類,定義以下:
struct adopt_lock_t {};
該類型的常量對象adopt_lock(adopt_lock 是一個常量對象,定義以下:
編程
constexpr adopt_lock_t adopt_lock {};,// constexpr 是 C++11 中的新關鍵字)
一般做爲參數傳入給 unique_lock 或 lock_guard 的構造函數。
安全
std::defer_lock_t
,一個空的標記類,定義以下:
struct defer_lock_t {};
該類型的常量對象
多線程defer_lock
(defer_lock
是一個常量對象,定義以下:
constexpr defer_lock_t defer_lock {};,// constexpr 是 C++11 中的新關鍵字)
一般做爲參數傳入給 unique_lock 或 lock_guard 的構造函數。
併發
std::try_to_lock_t
,一個空的標記類,定義以下:
struct try_to_lock_t {};
該類型的常量對象
函數try_to_lock
(try_to_lock
是一個常量對象,定義以下:
constexpr try_to_lock_t try_to_lock {};,// constexpr 是 C++11 中的新關鍵字)
一般做爲參數傳入給 unique_lock 或 lock_guard 的構造函數。
後面咱們會詳細介紹以上三種 Tag 類型在配合 lock_gurad 與 unique_lock 使用時的區別。this
std::lock_gurad 是 C++11 中定義的模板類。定義以下:spa
template <class Mutex> class lock_guard;
lock_guard 對象一般用於管理某個鎖(Lock)對象,所以與 Mutex RAII 相關,方便線程對互斥量上鎖,即在某個 lock_guard 對象的聲明週期內,它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態;而 lock_guard 的生命週期結束以後,它所管理的鎖對象會被解鎖(注:相似 shared_ptr 等智能指針管理動態分配的內存資源 )。
模板參數 Mutex 表明互斥量類型,例如 std::mutex 類型,它應該是一個基本的 BasicLockable 類型,標準庫中定義幾種基本的 BasicLockable 類型,分別 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex,std::recursive_timed_mutex (以上四種類型均已在上一篇博客中介紹)以及 std::unique_lock(本文後續會介紹 std::unique_lock)。(注:BasicLockable 類型的對象只需知足兩種操做,lock 和 unlock,另外還有 Lockable 類型,在 BasicLockable 類型的基礎上新增了 try_lock 操做,所以一個知足 Lockable 的對象應支持三種操做:lock,unlock 和 try_lock;最後還有一種 TimedLockable 對象,在 Lockable 類型的基礎上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 兩種操做,所以一個知足 TimedLockable 的對象應支持五種操做:lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。
在 lock_guard 對象構造時,傳入的 Mutex 對象(即它所管理的 Mutex 對象)會被當前線程鎖住。在lock_guard 對象被析構時,它所管理的 Mutex 對象會自動解鎖,因爲不須要程序員手動調用 lock 和 unlock 對 Mutex 進行上鎖和解鎖操做,所以這也是最簡單安全的上鎖和解鎖方式,尤爲是在程序拋出異常後先前已被上鎖的 Mutex 對象能夠正確進行解鎖操做,極大地簡化了程序員編寫與 Mutex 相關的異常處理代碼。
值得注意的是,lock_guard 對象並不負責管理 Mutex 對象的生命週期,lock_guard 對象只是簡化了 Mutex 對象的上鎖和解鎖操做,方便線程對互斥量上鎖,即在某個 lock_guard 對象的聲明週期內,它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態;而 lock_guard 的生命週期結束以後,它所管理的鎖對象會被解鎖。
lock_guard 構造函數以下表所示:
locking (1) | explicit lock_guard (mutex_type& m); |
---|---|
adopting (2) | lock_guard (mutex_type& m, adopt_lock_t tag); |
copy [deleted](3) | lock_guard (const lock_guard&) = delete; |
咱們來看一個簡單的例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::lock_guard, std::adopt_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_thread_id (int id) { mtx.lock(); std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock); std::cout << "thread #" << id << '\n'; } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
在 print_thread_id 中,咱們首先對 mtx 進行上鎖操做(mtx.lock();),而後用 mtx 對象構造一個 lock_guard 對象(std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx, std::adopt_lock);),注意此時 Tag 參數爲 std::adopt_lock,代表當前線程已經得到了鎖,此後 mtx 對象的解鎖操做交由 lock_guard 對象 lck 來管理,在 lck 的生命週期結束以後,mtx 對象會自動解鎖。
lock_guard 最大的特色就是安全易於使用,請看下面例子(參考),在異常拋出的時候經過 lock_guard 對象管理的 Mutex 能夠獲得正確地解鎖。
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::lock_guard #include <stdexcept> // std::logic_error std::mutex mtx; void print_even (int x) { if (x%2==0) std::cout << x << " is even\n"; else throw (std::logic_error("not even")); } void print_thread_id (int id) { try { // using a local lock_guard to lock mtx guarantees unlocking on destruction / exception: std::lock_guard<std::mutex> lck (mtx); print_even(id); } catch (std::logic_error&) { std::cout << "[exception caught]\n"; } } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
可是 lock_guard 最大的缺點也是簡單,沒有給程序員提供足夠的靈活度,所以,C++11 標準中定義了另一個與 Mutex RAII 相關類 unique_lock,該類與 lock_guard 類類似,也很方便線程對互斥量上鎖,但它提供了更好的上鎖和解鎖控制。
顧名思義,unique_lock 對象以獨佔全部權的方式( unique owership)管理 mutex 對象的上鎖和解鎖操做,所謂獨佔全部權,就是沒有其餘的 unique_lock 對象同時擁有某個 mutex 對象的全部權。
在構造(或移動(move)賦值)時,unique_lock 對象須要傳遞一個 Mutex 對象做爲它的參數,新建立的 unique_lock 對象負責傳入的 Mutex 對象的上鎖和解鎖操做。
std::unique_lock 對象也能保證在其自身析構時它所管理的 Mutex 對象可以被正確地解鎖(即便沒有顯式地調用 unlock 函數)。所以,和 lock_guard 同樣,這也是一種簡單而又安全的上鎖和解鎖方式,尤爲是在程序拋出異常後先前已被上鎖的 Mutex 對象能夠正確進行解鎖操做,極大地簡化了程序員編寫與 Mutex 相關的異常處理代碼。
值得注意的是,unique_lock 對象一樣也不負責管理 Mutex 對象的生命週期,unique_lock 對象只是簡化了 Mutex 對象的上鎖和解鎖操做,方便線程對互斥量上鎖,即在某個 unique_lock 對象的聲明週期內,它所管理的鎖對象會一直保持上鎖狀態;而 unique_lock 的生命週期結束以後,它所管理的鎖對象會被解鎖,這一點和 lock_guard 相似,但 unique_lock 給程序員提供了更多的自由,我會在下面的內容中給你們介紹 unique_lock 的用法。
另外,與 lock_guard 同樣,模板參數 Mutex 表明互斥量類型,例如 std::mutex 類型,它應該是一個基本的 BasicLockable 類型,標準庫中定義幾種基本的 BasicLockable 類型,分別 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex,std::recursive_timed_mutex (以上四種類型均已在上一篇博客中介紹)以及 std::unique_lock(本文後續會介紹 std::unique_lock)。(注:BasicLockable 類型的對象只需知足兩種操做,lock 和 unlock,另外還有 Lockable 類型,在 BasicLockable 類型的基礎上新增了 try_lock 操做,所以一個知足 Lockable 的對象應支持三種操做:lock,unlock 和 try_lock;最後還有一種 TimedLockable 對象,在 Lockable 類型的基礎上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 兩種操做,所以一個知足 TimedLockable 的對象應支持五種操做:lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。
std::unique_lock 的構造函數的數目相對來講比 std::lock_guard 多,其中一方面也是由於 std::unique_lock 更加靈活,從而在構造 std::unique_lock 對象時能夠接受額外的參數。總地來講,std::unique_lock 構造函數以下:
default (1) | unique_lock() noexcept; |
---|---|
locking (2) | explicit unique_lock(mutex_type& m); |
try-locking (3) | unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag); |
deferred (4) | unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept; |
adopting (5) | unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag); |
locking for (6) | template <class Rep, class Period> unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time); |
locking until (7) | template <class Clock, class Duration> unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time); |
copy [deleted] (8) | unique_lock(const unique_lock&) = delete; |
move (9) | unique_lock(unique_lock&& x); |
下面咱們來分別介紹以上各個構造函數:
綜上所述,由 (2) 和 (5) 建立的 unique_lock 對象一般擁有 Mutex 對象的鎖。而經過 (1) 和 (4) 建立的則不會擁有鎖。經過 (3),(6) 和 (7) 建立的 unique_lock 對象,則在 lock 成功時得到鎖。
關於unique_lock 的構造函數,請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::lock, std::unique_lock // std::adopt_lock, std::defer_lock std::mutex foo,bar; void task_a () { std::lock (foo,bar); // simultaneous lock (prevents deadlock) std::unique_lock<std::mutex> lck1 (foo,std::adopt_lock); std::unique_lock<std::mutex> lck2 (bar,std::adopt_lock); std::cout << "task a\n"; // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2) } void task_b () { // foo.lock(); bar.lock(); // replaced by: std::unique_lock<std::mutex> lck1, lck2; lck1 = std::unique_lock<std::mutex>(bar,std::defer_lock); lck2 = std::unique_lock<std::mutex>(foo,std::defer_lock); std::lock (lck1,lck2); // simultaneous lock (prevents deadlock) std::cout << "task b\n"; // (unlocked automatically on destruction of lck1 and lck2) } int main () { std::thread th1 (task_a); std::thread th2 (task_b); th1.join(); th2.join(); return 0; }
std::unique_lock 支持移動賦值(move assignment),可是普通的賦值被禁用了,
move (1) | unique_lock& operator= (unique_lock&& x) noexcept; |
---|---|
copy [deleted] (2) | unique_lock& operator= (const unique_lock&) = delete; |
移動賦值(move assignment)以後,由 x 所管理的 Mutex 對象及其狀態將會被新的 std::unique_lock 對象取代。
若是被賦值的對象以前已經得到了它所管理的 Mutex 對象的鎖,則在移動賦值(move assignment)以前會調用 unlock 函數釋放它所佔有的鎖。
調用移動賦值(move assignment)以後, x 對象如同經過默認構造函數所建立的,也就再也不管理任何 Mutex 對象了。請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_fifty (char c) { std::unique_lock<std::mutex> lck; // default-constructed lck = std::unique_lock<std::mutex>(mtx); // move-assigned for (int i=0; i<50; ++i) { std::cout << c; } std::cout << '\n'; } int main () { std::thread th1 (print_fifty,'*'); std::thread th2 (print_fifty,'$'); th1.join(); th2.join(); return 0; }
本節咱們來看看 std::unique_lock 的主要成員函數。因爲 std::unique_lock 比 std::lock_guard 操做靈活,所以它提供了更多成員函數。具體分類以下:
std::unique_lock::lock請看下面例子(參考):
上鎖操做,調用它所管理的 Mutex 對象的 lock 函數。若是在調用 Mutex 對象的 lock 函數時該 Mutex 對象已被另外一線程鎖住,則當前線程會被阻塞,直到它得到了鎖。
該函數返回時,當前的 unique_lock 對象便擁有了它所管理的 Mutex 對象的鎖。若是上鎖操做失敗,則拋出 system_error 異常。
// unique_lock::lock/unlock #include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_thread_id (int id) { std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx,std::defer_lock); // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking lck): lck.lock(); std::cout << "thread #" << id << '\n'; lck.unlock(); } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
std::unique_lock::try_lock
上鎖操做,調用它所管理的 Mutex 對象的 try_lock 函數,若是上鎖成功,則返回 true,不然返回 false。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <vector> // std::vector #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_star () { std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::defer_lock); // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: if (lck.try_lock()) std::cout << '*'; else std::cout << 'x'; } int main () { std::vector<std::thread> threads; for (int i=0; i<500; ++i) threads.emplace_back(print_star); for (auto& x: threads) x.join(); return 0; }
std::unique_lock::try_lock_for
上鎖操做,調用它所管理的 Mutex 對象的 try_lock_for 函數,若是上鎖成功,則返回 true,不然返回 false。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <chrono> // std::chrono::milliseconds #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::timed_mutex, std::unique_lock, std::defer_lock std::timed_mutex mtx; void fireworks () { std::unique_lock<std::timed_mutex> lck(mtx,std::defer_lock); // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms: while (!lck.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) { std::cout << "-"; } // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*" std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); std::cout << "*\n"; } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(fireworks); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
std::unique_lock::try_lock_until
上鎖操做,調用它所管理的 Mutex 對象的 try_lock_for 函數,若是上鎖成功,則返回 true,不然返回 false。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <chrono> // std::chrono::milliseconds #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::timed_mutex, std::unique_lock, std::defer_lock std::timed_mutex mtx; void fireworks () { std::unique_lock<std::timed_mutex> lck(mtx,std::defer_lock); // waiting to get a lock: each thread prints "-" every 200ms: while (!lck.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(200))) { std::cout << "-"; } // got a lock! - wait for 1s, then this thread prints "*" std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); std::cout << "*\n"; } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(fireworks); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
std::unique_lock::unlock
解鎖操做,調用它所管理的 Mutex 對象的 unlock 函數。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_thread_id (int id) { std::unique_lock<std::mutex> lck (mtx,std::defer_lock); // critical section (exclusive access to std::cout signaled by locking lck): lck.lock(); std::cout << "thread #" << id << '\n'; lck.unlock(); } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_thread_id,i+1); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
std::unique_lock::release
返回指向它所管理的 Mutex 對象的指針,並釋放全部權。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <vector> // std::vector #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock std::mutex mtx; int count = 0; void print_count_and_unlock (std::mutex* p_mtx) { std::cout << "count: " << count << '\n'; p_mtx->unlock(); } void task() { std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx); ++count; print_count_and_unlock(lck.release()); } int main () { std::vector<std::thread> threads; for (int i=0; i<10; ++i) threads.emplace_back(task); for (auto& x: threads) x.join(); return 0; }
std::unique_lock::owns_lock
返回當前 std::unique_lock 對象是否得到了鎖。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <vector> // std::vector #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock, std::try_to_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_star () { std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::try_to_lock); // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: if (lck.owns_lock()) std::cout << '*'; else std::cout << 'x'; } int main () { std::vector<std::thread> threads; for (int i=0; i<500; ++i) threads.emplace_back(print_star); for (auto& x: threads) x.join(); return 0; }
std::unique_lock::operator bool()
與 owns_lock 功能相同,返回當前 std::unique_lock 對象是否得到了鎖。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <vector> // std::vector #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock, std::try_to_lock std::mutex mtx; // mutex for critical section void print_star () { std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx,std::try_to_lock); // print '*' if successfully locked, 'x' otherwise: if (lck) std::cout << '*'; else std::cout << 'x'; } int main () { std::vector<std::thread> threads; for (int i=0; i<500; ++i) threads.emplace_back(print_star); for (auto& x: threads) x.join(); return 0; }
std::unique_lock::mutex
返回當前 std::unique_lock 對象所管理的 Mutex 對象的指針。
請看下面例子(參考):
#include <iostream> // std::cout #include <thread> // std::thread #include <mutex> // std::mutex, std::unique_lock, std::defer_lock class MyMutex : public std::mutex { int _id; public: MyMutex (int id) : _id(id) {} int id() {return _id;} }; MyMutex mtx (101); void print_ids (int id) { std::unique_lock<MyMutex> lck (mtx); std::cout << "thread #" << id << " locked mutex " << lck.mutex()->id() << '\n'; } int main () { std::thread threads[10]; // spawn 10 threads: for (int i=0; i<10; ++i) threads[i] = std::thread(print_ids,i+1); for (auto& th : threads) th.join(); return 0; }
好了,本文先介紹到這裏,咱們基本上介紹完了 C++11 多線程編程中兩種最基本的鎖類型,後面我會繼續更新有關 C++11 併發編程的博客,但願感興趣的同窗繼續關注 ;-)