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C++并发锁相关并发_std::unique_lock

作者：AllinToyou | 2024-02-27 14:02:45

踩

std::unique_lock

互斥锁mutex


#include <mutex> 
 
```
  
{
	std::mutex mtx;
 
	mtx.lock();
    
	// do something
 
	mtx.unlock();
}
 
```


mutex成员方法：lock()、try_lock()、unlock()
try_lock：
1）所有线程都没有lock时，调用lock，并返回true；
2）其他线程lock时返回false；

unique_lock

lock_guard只能在析构的时候解锁，不提供unlock接口，不够方便，unique_lock提供lock和unlock接口，更灵活


std::unique_lock<std::mutex> guard(_mu);
//do something 1
guard.unlock();//临时解锁
//do something 2
guard.lock();//继续上锁
// do something 
// 结束时析构guard会临时解锁

unique_lock比lock_guard灵活很多，效率上差一点，内存占用多一点。


在 C++11 中一共提供了四种互斥锁：
 
std::mutex：独占的互斥锁，不能递归使用
std::timed_mutex：带超时的独占互斥锁，不能递归使用
std::recursive_mutex：递归互斥锁，不带超时功能—不建议使用
std::recursive_timed_mutex：带超时的递归互斥锁—不建议使用

条件锁（条件变量）

条件锁（condition variable）是C++中的同步机制，用于协调多个线程之间的操作。条件锁允许一个线程等待另一个线程满足某个条件前进行等待，而不是不停地轮询条件。当条件满足时，通知等待的线程以继续执行。

条件锁使用场景：

1.线程间等待和通知操作

2.等待某个条件成立，防止忙等

3.输出数据的同步

实现条件锁有以下几个步骤：

1.初始化条件变量

使用std::condition_variable的构造函数来初始化条件变量。

std::condition_variable cond_var;

2.等待条件变量

当线程需要等待条件变量时，它调用wait()函数并同时释放锁，然后进入休眠状态直到另一个线程通知它。wait()函数的具体定义为：

void wait(std::unique_lock<std::mutex>& lock);

3.通知条件变量

当条件变量被满足时，线程可以调用notify_one()或notify_all()函数来通知等待的线程。

void notify_one();

void notify_all();

4.使用条件变量

在多线程程序中，在设置条件变量之前，必须首先获得互斥锁，以防止条件被修改。通常情况下，设置条件变量和唤醒等待线程是原子性的，即要么都发生，要么都不发生。


#include<condition_variable>
 
```
 
std::unique_lock<std::mutex> lock(mut);
 
```
 
if (my_condition)
{
    cond_var.wait(lock);
}
 
```

自旋锁

与互斥锁的相比，在获取锁失败的时候不会使得线程阻塞，而是一直自旋尝试获取锁。

自旋锁主要适用于被持有时间短，线程不希望在重新调度上花过多时间的情况。如果在持锁时间很长的场景下使用自旋锁，则会导致CPU在这个线程的时间片用尽之前一直消耗在无意义的忙等上，造成计算资源的浪费。

读写锁

任意读线程可以同时访问关键区域，但是只允许一个线程写入。

读写锁机制：

写者：写者使用写锁，如果当前没有读者，也没有其他写者，写者立即获得写锁；否则写者将等待，直到没有读者和写者。

读者：读者使用读锁，如果当前没有写者，读者立即获得读锁；否则读者等待，直到没有写者。

C++中标准库提供了std::shared_mutex来实现读写锁。它支持两种级别的锁定：

1.共享锁：多个线程同时进行读操作，不阻塞彼此。使用std::shared_lock<std::shared_mutex>实现。

2.独占锁：只有一个线程可以进行写操作，其他线程无法进行读或写操作。使用std::unique_lock<std::shared_mutex>实现。

共享锁和独占锁的使用方法与std::mutex相似。当需要进行读操作时，线程获取共享锁；当需要进行写操作时，线程获取独占锁。


#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>
 
std::shared_mutex rw_mutex; // 读写锁
 
int shared_data = 0;
 
void writer()
{
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);
    shared_data++; // 写操作
    std::cout << "Writer: data updated to " << shared_data << std::endl;
}
 
void reader()
{
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);
    std::cout << "Reader: current data is " << shared_data << std::endl; // 读操作
}
 
int main()
{
    std::thread t1(reader);
    std::thread t2(reader);
    std::thread t3(reader);
    std::thread t4(writer);
    std::thread t5(reader);
 
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    t4.join();
    t5.join();
 
    return 0;
}

信号量

信号量的使用主要是用来保护共享资源，使得资源在一个时刻只有一个进程（线程）所拥有。

信号量的值为正的时候，说明它空闲。所测试的线程可以锁定而使用它。若为 0，说明它被占用，测试的线程要进入睡眠队列中，等待被唤醒。

信号量的分类

内核信号量，由内核控制路径使用;
用户态进程使用的信号量，这种信号量又分为 POSIX 信号量和 SYSTEM V 信号量;

内核信号量的相关函数

初始化：


void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
void init_MUTEX (struct semaphore *sem); 					//将 sem 的值置为 1，表示资源空闲
void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); 	//将 sem 的值置为 0，表示资源忙

申请内核信号量所保护的资源：


void down(struct semaphore * sem); 							// 可引起睡眠
int down_interruptible(struct semaphore * sem); // down_interruptible能被信号打断
int down_trylock(struct semaphore * sem); 			// 非阻塞函数，不会睡眠。无法锁定资源则马上返回

释放内核信号量所保护的资源：

void up(struct semaphore * sem);

除了获得信号量之外，down_interruptible() 函数还会在以下情况下返回：

1. 当前进程收到一个可中断信号（例如 SIGINT、SIGTERM、SIGQUIT）时，down_interruptible() 函数会返回 -ERESTARTSYS 错误码。这个错误码表示需要重新启动系统调用，并且可以通过重新调用该函数来重新尝试获取信号量。

2. 当前进程被挂起时，down_interruptible() 函数也会返回 -ERESTARTSYS 错误码。这可能是因为该进程在等待 I/O 完成，或者因为它需要等待某个事件发生（例如信号量的值变为非零）。在这种情况下，也可以通过重新调用该函数来重新尝试获取信号量。

总之，无论何时，down_interruptible() 函数都可以被可中断地中断，也可以在信号量成功获取之前被挂起。在这种情况下，它会返回 -ERESTARTSYS 错误码。

POSIX信号量详解

POSIX 信号量又分为有名信号量和无名信号量。

有名信号量，其值保存在文件中，所以它可以用于线程也可以用于进程间的同步。
无名信号量，其值保存在内存中。

无名信号量常用于多线程间的同步，同时也用于相关进程间的同步。也就是说，无名信号量必须是多个进程（线程）的共享变量，无名信号量要保护的变量也必须是多个进程（线程）的共享变量，这两个条件是缺一不可的。

常见的无名信号量相关函数：


/*
1）pshared == 0 用于同一多线程的同步；
2）若 pshared > 0 用于多个相关进程间的同步（即由 fork 产生的）
*/
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

int sem_destroy(sem_t * sem);


/*
测试所指定信号量的值,它的操作是原子的。
若 sem > 0，那么它减 1 并立即返回。
若 sem== 0，则睡眠直到 sem > 0，此时立即减 1，然后返回。
相当于 P 操作，即申请资源。
*/
int sem_wait(sem_t *sem); // 这是一个阻塞的函数


/*
其他的行为和 sem_wait 一样，除了sem== 0，不是睡眠，而是返回一个错误 EAGAIN;
*/
int sem_trywait(sem_t *sem); // 非阻塞的函数


/*
把指定的信号量 sem 的值加 1;
呼醒正在等待该信号量的任意线程;
相当于 V 操作，释放资源;
*/
int sem_post(sem_t *sem);

无名信号量在相关进程间的同步

说是相关进程，是因为本程序中共有 2 个进程，其中一个是另外一个的子进程（由 fork 产生）的。本来对于 fork 来说，子进程只继承了父进程的代码副本，mutex 理应在父子进程中是相互独立的两个变量，但由于在初始化 mutex 的时候，由 pshared = 1 指定了 mutex 处于共享内存区域，所以此时 mutex 变成了父子进程共享的一个变量。此时，mutex 就可以用来同步相关进程了。

有名信号量

有名信号量的特点是把信号量的值保存在文件中。

这决定了它的用途非常广：既可以用于线程，也可以用于相关进程间，甚至是不相关进程。

有名信号量能在进程间共享的原因

由于有名信号量的值是保存在文件中的，所以对于相关进程来说，子进程是继承了父进程的文件描述符，那么子进程所继承的文件描述符所指向的文件是和父进程一样的，当然文件里面保存的有名信号量值就共享了。

有名信号量相关函数说明

有名信号量在使用的时候，和无名信号量共享 sem_wait 和 sem_post 函数。

区别是有名信号量使用 sem_open 代替 sem_init，另外在结束的时候要像关闭文件一样去关闭这个有名信号量。

（1）打开一个已存在的有名信号量，或创建并初始化一个有名信号量。一个单一的调用就完
成了信号量的创建、初始化和权限的设置。

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode , int value);


name 是文件的路径名；
Oflag 有 O_CREAT 或 O_CREAT | EXCL 两个取值；
mode_t 控制新的信号量的访问权限；
Value 指定信号量的初始化值。
注意：
这里的 name 不能写成 /tmp/aaa.sem 这样的格式，因为在 linux 下，sem 都是创建在 /dev/shm 目录下。你可以将 name 写成“/mysem”或“mysem”，创建出来的文件都是“/dev/shm/sem.mysem”，千万不要写路径。也千万不要写“/tmp/mysem”之类的。
当 oflag = O_CREAT 时，若 name 指定的信号量不存在时，则会创建一个，而且后面的 mode 和 value 参数必须有效。若 name 指定的信号量已存在，则直接打开该信号量，同时忽略 mode 和 value 参数。
当 oflag = O_CREAT | O_EXCL 时，若 name 指定的信号量已存在，该函数会直接返回 error

一旦你使用了一信号量，销毁它们就变得很重要

在做这个之前，要确定所有对这个有名信号量的引用都已经通过 sem_close() 函数关闭了，然后只需在退出或是退出处理函数中调用 sem_unlink() 去删除系统中的信号量，注意如果有任何的处理器或是线程引用这个信号量，sem_unlink() 函数不会起到任何的作用。

也就是说，必须是最后一个使用该信号量的进程来执行 sem_unlink 才有效。因为每个信号灯有一个引用计数器记录当前的打开次数，sem_unlink 必须等待这个数为 0 时才能把 name 所指的信号灯从文件系统中删除。也就是要等待最后一个 sem_close 发生。

有名信号量在无相关进程间的同步

前面已经说过，有名信号量是位于共享内存区的，那么它要保护的资源也必须是位于共享内存区，只有这样才能被无相关的进程所共享。

在下面这个例子中，服务进程和客户进程都使用 shmget 和 shmat 来获取得一块共享内存资源。然后利用有名信号量来对这块共享内存资源进行互斥保护。


以下是一个示例程序，它使用信号量同步两个线程之间的访问：
 
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
 
sem_t sem;
 
void *thread_func(void *arg)
{
    int i;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(&sem);         /* 等待信号量 */
        printf("Thread %d is working\n", *(int *)arg);
        sleep(1);
        sem_post(&sem);         /* 发送信号量 */
    }
    pthread_exit(NULL);
}
 
int main()
{
    pthread_t thread1, thread2;
    int id1 = 1, id2 = 2;
    sem_init(&sem, 0, 1);       /* 初始化信号量为1 */
 
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, &id1);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, &id2);
 
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
 
    sem_destroy(&sem);          /* 销毁信号量 */
 
    return 0;
}
```
 
这个程序创建了两个线程，它们都要获取信号量才能工作。每个线程工作一段时间，然后释放信号量，以允许另一个线程工作。请注意，我们使用`sem_wait`等待信号量，使用`sem_post`发送信号量。这个程序还使用了`sem_init`初始化信号量，以及`sem_destroy`销毁信号量。


以下是一个使用信号量在多个进程之间同步访问的示例程序：
 
```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
 
int main()
{
    sem_t *sem;
    pid_t pid;
 
    sem = sem_open("/my_semaphore", O_CREAT, 0644, 1);
    if (sem == SEM_FAILED) {
        perror("Failed to open semaphore");
        return 1;
    }
 
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("Failed to fork");
        return 1;
    }
    else if (pid == 0) {
        printf("Child process waiting for lock\n");
        sem_wait(sem); /* 等待信号量 */
        printf("Child process acquired lock\n");
        sleep(2);
        sem_post(sem); /* 发送信号量 */
        printf("Child process released lock\n");
    }
    else {
        printf("Parent process waiting for lock\n");
        sem_wait(sem); /* 等待信号量 */
        printf("Parent process acquired lock\n");
        sleep(2);
        sem_post(sem); /* 发送信号量 */
        printf("Parent process released lock\n");
    }
 
    sem_close(sem); /* 关闭信号量 */
    sem_unlink("/my_semaphore"); /* 删除信号量 */
 
    return 0;
}
```
 
这个程序通过使用`sem_open`创建命名信号量，它可以在多个进程之间共享。
然后，我们使用`fork`创建子进程，并在父子进程之间共享信号量。
父进程和子进程都要获取信号量，并且要等待一段时间后释放信号量。
请注意，这里我们使用`sem_wait`等待信号量，用`sem_post`发送信号量，
使用`sem_cloes`关闭信号量并使用`sem_unlink`删除信号量。

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