浅谈c++11线程的互斥量
为什么需要互斥量
在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于，公司部门里，我在使用着打印机打印东西的同时（还没有打印完），别人刚好也在此刻使用打印机打印东西，如果不做任何处理的话，打印出来的东西肯定是错乱的。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <string> #include <chrono> #include <thread> // 打印机 void printer(const char *str) { while(*str != '\0') { std::cout << *str; str++; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); } std::cout << std::endl; } // 线程一 void func1() { const char *str = "hello"; printer(str); } // 线程二 void func2() { const char *str = "world"; printer(str); } void mytest() { std::thread t1(func1); std::thread t2(func2); t1.join(); t2.join(); return; } int main() { mytest(); system("pause"); return 0; }
独占互斥量std::mutex
互斥量的基本接口很相似，一般用法是通过lock()方法来阻塞线程，直到获得互斥量的所有权为止。在线程获得互斥量并完成任务之后，就必须使用unlock()来解除对互斥量的占用，lock()和unlock()必须成对出现。try_lock()尝试锁定互斥量，如果成功则返回true, 如果失败则返回false，它是非阻塞的。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <string> #include <chrono> #include <thread> #include <mutex> std::mutex g_lock; //全局互斥锁对象，#include <mutex> // 打印机 void printer(const char *str) { g_lock.lock(); //上锁 while(*str != '\0') { std::cout << *str; str++; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); } std::cout << std::endl; g_lock.unlock(); // 解锁 } // 线程一 void func1() { const char *str = "hello"; printer(str); } // 线程二 void func2() { const char *str = "world"; printer(str); } void mytest() { std::thread t1(func1); std::thread t2(func2); t1.join(); t2.join(); return; } int main() { mytest(); system("pause"); return 0; }
使用std::lock_guard可以简化lock/unlock的写法，同时也更安全，因为lock_guard在构造时会自动锁定互斥量，而在退出作用域后进行析构时就会自动解锁，从而避免忘了unlock操作。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <string> #include <chrono> #include <thread> #include <mutex> std::mutex g_lock; //全局互斥锁对象，#include <mutex> // 打印机 void printer(const char *str) { std::lock_guard<std::mutex> locker(g_lock); // lock_guard 上锁 while(*str != '\0') { std::cout << *str; str++; std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1000)); } std::cout << std::endl; // 即将推出作用域 lock_guard 会自动解锁 } // 线程一 void func1() { const char *str = "hello"; printer(str); } // 线程二 void func2() { const char *str = "world"; printer(str); } void mytest() { std::thread t1(func1); std::thread t2(func2); t1.join(); t2.join(); return; } int main() { mytest(); system("pause"); return 0; }
原子操作
所谓的原子操作，取的就是“原子是最小的、不可分割的最小个体”的意义，它表示在多个线程访问同一个全局资源的时候，能够确保所有其他的线程都不在同一时间内访问相同的资源。也就是他确保了在同一时刻只有唯一的线程对这个资源进行访问。这有点类似互斥对象对共享资源的访问的保护，但是原子操作更加接近底层，因而效率更高。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <string> #include <chrono> #include <thread> //全局的结果数据 long total = 0; //点击函数 void func() { for(int i = 0; i < 1000000; ++i) { // 对全局数据进行无锁访问 total += 1; } } void mytest() { clock_t start = clock(); // 计时开始 //线程 std::thread t1(func); std::thread t2(func); t1.join(); t2.join(); clock_t end = clock(); // 计时结束 std::cout << "total = " << total << std::endl; std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl; return; } int main() { mytest(); system("pause"); return 0; }
由于线程间对数据的竞争而导致每次运行的结果都不一样。因此，为了防止数据竞争问题，我们需要对total进行原子操作。
通过互斥锁进行原子操作：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <string> #include <chrono> #include <thread> #include <mutex> std::mutex g_lock; //全局的结果数据 long total = 0; //点击函数 void func() { for(int i = 0; i < 1000000; ++i) { g_lock.lock(); // 加锁 total += 1; g_lock.unlock(); // 加锁 } } void mytest() { clock_t start = clock(); // 计时开始 //线程 std::thread t1(func); std::thread t2(func); t1.join(); t2.join(); clock_t end = clock(); // 计时结束 std::cout << "total = " << total << std::endl; std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl; return; } int main() { mytest(); system("pause"); return 0; }
每次运行的结果都一样，只是耗时长点。
在新标准C++11，引入了原子操作的概念。
如果我们在多个线程中对这些类型的共享资源进行操作，编译器将保证这些操作都是原子性的，也就是说，确保任意时刻只有一个线程对这个资源进行访问，编译器将保证多个线程访问这个共享资源的正确性。从而避免了锁的使用，提高了效率。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include <iostream> #include <string> #include <chrono> #include <thread> #include <atomic> //原子数据类型 std::atomic<long> total(0); //需要头文件 #include <atomic> //点击函数 void func() { for(int i = 0; i < 1000000; ++i) { // total += 1; } } void mytest() { clock_t start = clock(); // 计时开始 //线程 std::thread t1(func); std::thread t2(func); t1.join(); t2.join(); clock_t end = clock(); // 计时结束 std::cout << "total = " << total << std::endl; std::cout << "time = " << end-start << " ms" << std::endl; return; } int main() { mytest(); system("pause"); return 0; }
原子操作的实现跟普通数据类型类似，但是它能够在保证结果正确的前提下，提供比mutex等锁机制更好的性能。
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