多线程同步：使用 std::mutex 和 std::unique_lock 保护共享资源

在当今的软件开发中，多线程编程是一项至关重要的技术，它允许程序同时执行多个任务，从而提高应用程序的效率和响应速度。然而，多线程环境也带来了数据安全和一致性的挑战。在多个线程需要访问和修改同一数据资源的情况下，如果没有适当的同步机制，就可能发生竞态条件，导致数据不一致或程序行为的不确定性。为了解决这些问题，锁的概念应运而生。

锁是一种用于管理对共享资源访问的同步机制，主要用于多线程环境中保护共享资源，防止多个线程同时访问同一资源。通过锁定机制，可以确保在任意时刻，只有一个线程可以访问关键的代码区域，从而维护了数据的完整性和一致性。常见的锁机制包括互斥锁（mutex）、读写锁（允许多个读操作同时进行，但写操作是独占的）和递归锁等。

 

基本概念

• std::thread: C++标准库中的线程类，用于创建和管理线程。
• std::mutex: 用于保护共享数据，防止多个线程同时访问同一资源。
• std::unique_lock: 是一个RAII（资源获取即初始化）风格的mutex管理工具。它可以在构造时自动锁定关联的mutex，并在析构时自动释放mutex。

例子

目标：创建两个线程，共同操作一个共享的计数器（int类型），每个线程增加10000次计数器，使用std::mutex来同步对计数器的访问。

不使用锁的情况示例代码

首先，让我们看看在不使用互斥锁的情况下，多线程访问共享资源可能导致的问题。

#include 
#include 

// 共享资源
int counter = 0;

void incrementCounter() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        ++counter;  // 直接修改共享资源，没有锁的保护
    }
}

int main() {
    std::thread t1(incrementCounter);
    std::thread t2(incrementCounter);

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

    std::cout << "Final counter value without mutex: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

可能的输出

Final counter value without mutex: 13542

在这个示例中，因为两个线程都在尝试修改同一个变量而没有同步措施，所以最终的counter值并不是预期的20000，而是一个随机的值，这是因为发生了竞态条件。

使用锁的情况示例代码

现在，我们使用std::mutex和std::unique_lock来同步对共享资源的访问。

#include 
#include 
#include 

// 共享资源
int counter = 0;
std::mutex mtx;

void incrementCounter() {
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        std::unique_lock lock(mtx);  // 使用unique_lock来锁定mtx
        ++counter;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(incrementCounter);
    std::thread t2(incrementCounter);

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

    std::cout << "Final counter value with mutex: " << counter << std::endl;
    return 0;
}

结果

Final counter value with mutex: 20000

在这个版本的代码中，每次修改共享资源counter时都通过std::unique_lock来确保只有一个线程可以执行这一操作。结果显示，最终的counter值正是预期的20000，说明通过锁正确地管理了线程间的资源访问。

为何不涉及变量 i

关于循环变量 i，它是每个线程的局部变量，而不是共享资源。每个线程在调用 incrementCounter 函数时都会有自己的 i 副本。因此，不需要通过互斥锁来保护对 i 的访问，因为不存在多个线程同时访问或修改同一个 i 的问题。

在多线程环境中，通常只有对共享资源的访问和修改才需要同步机制（如互斥锁）。局部变量自然地由各自的线程独立管理，不会引起线程间的冲突。

总结

在C++多线程编程中，std::mutex和std::unique_lock是保护共享数据和避免竞态条件的重要工具。通过使用std::unique_lock，可以更安全和便捷地管理锁的获取和释放，从而简化代码并减少因错误管理锁而导致的问题。