C++多线程学习（三）：锁资源管理和条件变量

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. 利用栈特性自动释放锁 RAII

1.1 什么是 RAII

• RAII (Resource Acquisition Is Initialization)：使用局部对象来管理资源的技术称为资源获取即初始化
  • 它的生命周期是由操作系统来管理，无需人工介入
  • 资源的销毁容易忘记，造成死锁或内存泄漏

1.2 手动实现 RAII 管理 mutex 资源

• thread_RAII.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  // RAII
  class XMutex {
  public:
      // 在构造函数中锁住，一生成对象 mux 就拿到锁
      XMutex(mutex &mux) : mux_(mux) {
          cout << "Lock" << endl;
          mux.lock();
      }
      // 析构函数中释放
      ~XMutex() {
          cout << "Unlock" << endl;
          mux_.unlock();
      }
  
  private:
      // 引用方式存储锁，引用必须在初始化时就要赋值
      mutex& mux_;
  };
  
  static mutex mux;
  
  void TextMutex(int status) {
      XMutex lock(mux);  // 不需要关心锁的 unlock() 释放
  
      if (status == 1) {
          cout << " = 1" << endl;
          return;
      } else {
          cout << " != 1" << endl;
          return;
      }
  }  // 超出这个大括号后，会调用析构函数释放栈中资源
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      TextMutex(1);
      TextMutex(2);
  
      getchar();
  
      return 0;
  }
  

• 控制台输出

  Lock
   = 1
  Unlock
  Lock
   != 1
  Unlock
  

2. lock_guard：C++11 支持的 RAII 管理互斥资源

• C++11 实现严格基于作用域的互斥体所有权包装器

• adopt_lock：C++11 类型为 adopt_lock_t，假设调用方已拥有互斥的所有权

• 通过 {} 控制锁的临界区（栈区间），出了 {} 后自动释放锁资源

• thread_RAII2.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  static mutex gmutex;
  
  void TestLockGuard(int i) {
      gmutex.lock();
      {
          // 已经拥有锁，不锁定，退出解锁
          lock_guard<mutex> lock(gmutex, adopt_lock);
          // 结束释放锁
      }
      {
          lock_guard<mutex> lock(gmutex);
          cout << "begin thread " << i << endl;
      }
      for (;;) {
          {
              lock_guard<mutex> lock(gmutex);
              cout << "In " << i << endl;
          }
          this_thread::sleep_for(500ms);
      }
  }
  int main(int argc, char* argv[]) {
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          thread th(TestLockGuard, i + 1);
          th.detach();
      }
      getchar();
  
      return 0;
  }
  

• 控制台输出

  begin thread 1
  In 1
  begin thread 3
  In 3
  begin thread 2
  In 2
  In 1
  In 2
  In 3
  In 1
  ...
  

3. unique_lock：C++11 实现可移动的互斥体所有权包装器

• 支持临时释放锁 unlock

• 支持 adopt_lock：(已经拥有锁，不加锁，出栈区会释放)

• 支持 defer_lock：(延后拥有，不加锁，出栈区不释放)

• 支持 try_to_lock：尝试获得互斥的所有权而不阻塞，获取失败退出栈区不会释放，通过 owns_lock() 函数判断

• thread_RAII3.cpp

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  using namespace std;
  
  int main(int argc, char* argv[]) {
      {
          static mutex mux;
          {
              unique_lock<mutex> lock(mux);
              lock.unlock();  // 临时释放锁
              
              lock.lock();
          }
          {
              // 已经拥有锁 不锁定，退出栈区解锁
              mux.lock();
              unique_lock<mutex> lock(mux, adopt_lock);
          }
          {
              // 延后加锁 不拥有 退出栈区不解锁
              unique_lock<mutex> lock(mux, defer_lock);
              // 加锁 退出栈区解锁
              lock.lock();
          }
          {
              //mux.lock();
              // 尝试加锁 不阻塞 失败不拥有锁
              unique_lock<mutex> lock(mux, try_to_lock);
  
              if (lock.owns_lock()) {
                  cout << "owns_lock" << endl;
              } else {
                  cout << "not owns_lock" << endl;
              }
          }
      }
  
      getchar();
  
      return 0;
  }
  

4. shared_lock C++14 实现可移动的共享互斥体所有权封装器

int main(int argc, char* argv[]) {
    {
        // 共享锁
        static shared_timed_mutex tmux;
    
        // 读取锁--共享锁
        {
            // 调用共享锁 
            shared_lock<shared_timed_mutex> lock(tmux);
            cout << "read data" << endl;
            // 退出栈区 释放共享锁
        }
    
        // 写入锁--互斥锁
        {
            unique_lock<shared_timed_mutex> lock(tmux);
            cout << "write data" << endl;
        }
    }
}

5. 案例：使用互斥锁和 List 实现多线程通信

• 封装线程基类 XThread 控制线程启动和停止
• 模拟消息服务器线程，接收字符串消息，并模拟处理
• 通过 unique_lock 和 mutex 互斥访问 list 消息队列
• 主线程定时发送消息给子线程

5.1 xthread.h

#pragma once
#include 

class XThread {
public:
    // 启动线程
    virtual void Start();

    // 设置线程退出标志 并等待
    virtual void Stop();

    // 等待线程退出（阻塞）
    virtual void Wait();

    // 线程是否退出
    bool is_exit();

private:
    // 线程入口
    virtual void Main() = 0;
    bool is_exit_ = false;
    std::thread th_;
};

5.2 xthread.cpp

#include "xthread.h"

using namespace std;

// 启动线程
void XThread::Start() {
    is_exit_ = false;
    th_ = thread(&XThread::Main, this);
}

// 设置线程退出标志 并等待
void XThread::Stop() {
    is_exit_ = true;
    Wait();
}

// 等待线程退出（阻塞）
void XThread::Wait() {
    if (th_.joinable())
        th_.join();
}

// 线程是否退出
bool XThread::is_exit() {
    return is_exit_;
}

5.3 xmsg_server.h

#pragma once
#include "xthread.h"
#include 
#include 
#include 

class XMsgServer : public XThread {
public:
    // 给当前线程发消息
    void SendMsg(std::string msg);

private:
    // 处理消息的线程入口函数
    void Main() override;

    // 消息队列缓冲
    std::list<std::string> msgs_;

    // 互斥访问消息队列
    std::mutex mux_;
};

5.4 xmsg_server.cpp

#include "xmsg_server.h"
#include 

using namespace std;
using namespace this_thread;

// 处理消息的线程入口函数
void XMsgServer::Main() {
    while (!is_exit()) {
        sleep_for(10ms);
        unique_lock<mutex> lock(mux_);
        if (msgs_.empty())
            continue;
        while (!msgs_.empty()) {
            // 消息处理业务逻辑
            cout << "recv : " << msgs_.front() << endl;
            msgs_.pop_front();
        }

    }
}

// 给当前线程发消息
void XMsgServer::SendMsg(std::string msg) {
    unique_lock<mutex> lock(mux_);
    msgs_.push_back(msg);
}

5.5 thread_msg_server

#include "xmsg_server.h"
#include 

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[]) {
    XMsgServer server;
    server.Start();
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        stringstream ss;
        ss << " msg : " << i + 1;
        server.SendMsg(ss.str());
        this_thread::sleep_for(500ms);
    }
    server.Stop();

    return 0;
}

6. 条件变量应用场景_生产者消费者信号处理步骤

• 生产者-消费者模型
  • 生产者和消费者共享资源变量（List 队列）
  • 生产者生产一个产品，通知消费者消费
  • 消费者阻塞等待信号：获取信号后消费产品（取出 List 队列中的数据）

6.1 改变共享变量的线程步骤

• 准备好信号量

  std::condition_variable cv;
  

• 1、获得 std::mutex（常通过 std::unique_lock）

  unique_lock lock(mux);
  

• 2、在获取锁时进行修改

  msgs_.push_back(data);
  

• 3、释放锁并通知读取线程

  lock.unlock();
  cv.notify_one();  // 通知一个等待信号线程
  cv.notify_all();  // 通知所有等待信号线程
  

6.2 等待信号读取共享变量的线程步骤

• 1、获得与改变共享变量线程共同的 mutex

  unique_lock lock(mux);
  

• 2、wait() 等待信号通知

  // 解锁，并阻塞等待 notify_one notify_all 通知
  cv.wait(lock);
  
  // 接收到通知会再次获取锁标志，也就是说如果此时 mux 资源被占用，wait 函数会阻塞
  msgs_.front();
  
  // 处理数据
  msgs_pop_front();
  

7. condition_variable 读写线程同步

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

list<string> msgs_;
mutex mux;
condition_variable cv;

void ThreadWrite() {
    for (int i = 0;;i++) {
        stringstream ss;
        ss << "Write msg " << i;
        unique_lock<mutex> lock(mux);
        msgs_.push_back(ss.str());
        lock.unlock();
        cv.notify_one();  // 发送信号
        //cv.notify_all();
        this_thread::sleep_for(3s);
    }
}
void ThreadRead(int i) {
    for (;;) {
        cout << "read msg" << endl;
        unique_lock<mutex> lock(mux);
        //cv.wait(lock);  // 解锁、阻塞等待信号
        cv.wait(lock, [i] 
            {
                cout << i << " wait" << endl;
                return !msgs_.empty(); 
            });
        // 获取信号后锁定
        while (!msgs_.empty()) {
            cout << i << " read " << msgs_.front() << endl;
            msgs_.pop_front();
        }

    }
}
int main(int argc, char* argv[]) {
    thread th(ThreadWrite);
    th.detach();
    for (int i = 0; i < 3; i++)  {
        thread th(ThreadRead, i + 1);
        th.detach();
    }
    getchar();

    return 0;
}