C++多线程学习（二）：多线程通信和锁

参考引用

• C++11 14 17 20 多线程从原理到线程池实战
• 代码运行环境：Visual Studio 2019

1. 多线程状态

1.1 线程状态说明

• 初始化 (lnit)：该线程正在被创建
• 就绪 (Ready)：该线程在就绪列表中，等待 CPU 调度
• 运行 (Running)：该线程正在运行
• 阻塞 (Blocked)：该线程被阻塞挂起，Blocked 状态包括
  • pend (锁、事件、信号量等阻塞)
  • suspend (主动 pend)
  • delay (延时阻塞)
  • pendtime (因为锁、事件、信号量时间等超时)
• 退出 (Exit)：该线程运行结束，等待父线程回收其控制块资源
  • 告诉操作系统把该线程相关资源释放，不包含堆中的资源释放

1.2 竞争状态和临界区

• 竞争状态 (Race Condition)
  • 多线程同时读写共享数据
• 临界区 (Critical Section)
  • 读写共享数据的代码片段（lock 和 unlock 之间的代码）

避免竞争状态策略，对临界区进行保护，同时只能有一个线程进入临界区

2. 互斥体和锁

2.1 互斥锁

• thread_mutex.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  static mutex mux;
  
  void TestThread() {
      for (;;)
      {	
          // 获取锁资源，如果没有则阻塞等待（一次只能有一个线程拿到锁）
          // 拿锁的原则：尽晚申请、尽早释放
          //mux.lock();           // 拿锁方式一 
          if (!mux.try_lock()) {  // 拿锁方式二：可以看到多个进程在竞争拿锁的情况
              cout << "." << flush;
              this_thread::sleep_for(100ms);
      
              continue;
          }
      
          // 业务代码
          cout << "=========" << endl;
          cout << "Test 001" << endl;
          cout << "Test 002" << endl;
          cout << "Test 003" << endl;
          cout << "=========" << endl;
  
          mux.unlock();  // 如果忘记释放锁，则会导致死锁，所有线程都在等待
          this_thread::sleep_for(1000ms);
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      // 同时创建 10 个线程
      for (int i = 0; i < 10; i++) {
          thread th(TestThread);
          th.detach();
      }
      
      getchar();
      
      return 0;
  }
  

2.2 线程抢占不到资源

• thread_mutex2.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  static mutex mux;
  
  void ThreadMainMux(int i) {
      for (;;)
      {	
          mux.lock();
          cout << i << "[in]" << endl;
          this_thread::sleep_for(1000ms);
          mux.unlock();
          // 防止 unlock() 还未释放完全就进入下一个 lock()，导致其他线程拿不到锁
          this_thread::sleep_for(1ms);
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      // 同时创建 3 个线程
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          thread th(ThreadMainMux, i + 1);
          th.detach();
      }
  
      getchar();
  
      return 0;
  }
  

2.3 超时锁 timed_mutex 应用

• 可以记录锁的获取情况，多次超时，可以记录日志，获取错误情况，避免长时间死锁
• timed_mutex.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  timed_mutex tmux;  // 支持超时的互斥锁
  
  void ThreadMainTime(int i) {
      for (;;)
      {	
          if (!tmux.try_lock_for(chrono::milliseconds(500))) {
              cout << i << "[try_lock_for timeout]" << endl;
              continue;
          }
          cout << i << "[in]" << endl;
          this_thread::sleep_for(2000ms);
          tmux.unlock();
          // 防止 unlock() 还未释放完全就进入下一个 lock()，导致其他线程拿不到锁
          this_thread::sleep_for(1ms);
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      getchar();
  
      // 同时创建 3 个线程
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          thread th(ThreadMainTime, i + 1);
          th.detach();
      }
  
      getchar();
  
      return 0;
  }
  

2.4 递归锁 recursive_mutex（可重入）

• 同一个线程中的同一把锁可以锁多次，避免一些不必要的死锁
• 组合业务：用到同一个锁
• recursive_mutex.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  recursive_mutex rmux;  // 支持可重入的互斥锁
  
  void Task1() {
      rmux.lock();
      cout << "task1 [in]" << endl;
      rmux.unlock();
  }
  
  void Task2() {
      rmux.lock();
      cout << "task2 [in]" << endl;
      rmux.unlock();
  }
  
  void ThreadMainRec(int i) {
      for (;;)
      {
          // 加锁几次对应的也要解锁几次
          rmux.lock();
          Task1();
          cout << i << "[in]" << endl;
          this_thread::sleep_for(2000ms);
          Task2();
          rmux.unlock();
          this_thread::sleep_for(1ms);
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      // 同时创建 3 个线程
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          thread th(ThreadMainRec, i + 1);
          th.detach();
      }
      
      getchar();
      
      return 0;
  }
  

2.5 共享锁 shared_mutex（解决读写问题）

• c++14 共享超时互斥锁 shared_timed_mutex
• 如果只有写时需要互斥，读取时不需要，用普通的锁的话如何做
• 按照如下代码，读取只能有一个线程进入，在很多业务场景中，没有充分利用 CPU 资源

• shared_mutex.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  shared_timed_mutex stmux;  // 支持可重入的共享锁 C++14
  
  // 读取线程
  void ThreadRead(int i) {
      for (;;)
      {
          stmux.lock_shared();
          cout << i << " Read" << endl;
          this_thread::sleep_for(500ms);
          stmux.unlock_shared();
  
          this_thread::sleep_for(1ms);
      }
  }
  
  // 写入线程
  void ThreadWrite(int i) {
      for (;;)
      {
          stmux.lock_shared();  // 只要没有锁定互斥锁，共享锁都是立即返回
          // 读取数据
          stmux.unlock_shared();
  
          // 互斥锁 写入（同时只能一个线程写入），共享锁和互斥锁都不能进入
          stmux.lock();  
          cout << i << " Write" << endl;
          this_thread::sleep_for(300ms);
          stmux.unlock();
  
          this_thread::sleep_for(1ms);
      }
  }
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          thread th(ThreadWrite, i + 1);
          th.detach();
      }
  
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          thread th(ThreadRead, i + 1);
          th.detach();
      }
  
      getchar();
  
      return 0;
  }