C++11多线程编程 三：锁资源管理和条件变量

C++11多线程编程 一：多线程概述

C++11多线程编程 二：多线程通信，线程同步，锁

C++11多线程编程 三：锁资源管理和条件变量 

C/C++基础，Boost创建线程、线程同步 

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3.1 手动实现RAii管理mutex资源锁自动释放

        自己写的代码一般都是自己上锁，自己进行释放，但是这样特别容易忘记释放，进而造成死锁(可以理解为一直没有被释放的锁)，为了确保每一个锁都能得到释放，所以就有了这样一个技术，叫做RAii资源获取既初始化，特性就是使用局部对象来管理资源，局部对象我们都知道，他一旦出栈就会得到释放，在一对大括号之中的代码，里面生成的变量和对象，一旦出了这对大括号，他就会得到释放，若是类的对象的话，他会调用析构函数进行释放，这部分代码我们称为是在栈中生成的空间，所以他们的运行周期由操作系统来维护。
        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的，无需人工介入；资源的销毁容易忘记，造成死锁或内存泄漏。

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
//Linux -lpthread
using namespace std;
// RAII 这个是把上锁和解锁的过程放在类当中
class XMutex
{
public:
    XMutex(mutex& mux) :mux_(mux)
    {
        cout << "Lock" << endl;
        mux.lock();
    }
    ~XMutex()
    {
        cout << "Unlock" << endl;
        mux_.unlock();
    }
private:
    mutex& mux_;
};
static mutex mux;
void TestMutex(int status)
{
    XMutex lock(mux);
    if (status == 1)
    {
        cout << "=1" << endl;
        return;
    }
    else
    {
        cout << "!=1" << endl;
        return;
    }
}
int main(int argc, char* argv[])
{
    TestMutex(1);
    TestMutex(2);
 
    getchar();
    return 0;
}

 

        类名后面跟着一个lock(mux)，lock其实是一个对象，并且给有参构造函数传递了一个实参。 

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3.2 c++11自带的RAIl控制锁lock guard

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
//Linux -lpthread
using namespace std;
 
static mutex gmutex; //这里可以是任意的互斥变量类型，只要里面包含lock函数的都可以
void TestLockGuard(int i)
{
    gmutex.lock();
    {
        //假如外部已经有锁，那就不lock
        lock_guard<mutex> lock(gmutex, adopt_lock);
        //出了大括号，调用析构函数，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;
}

 

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3.3 unique_lock 可临时解锁控制超时的互斥体

        在实际需求当中会出现几种情况，也就是可能会出现移动赋值，也就是把一个锁赋值给另一个锁，可能出现在对象的赋值的过程当中，若你想要支持这种转移，那就要使用unique_lock，这是另一种锁管理的工具，前面我们是使用大括号来控制的，如果在代码中，由于业务逻辑的需要，需要先解锁，后面又要再加锁，可以使用提供的接口进行手动解锁，然后再加锁，最后由析构函数进行释放锁，同时还支持更加复杂的情况，
 
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
支持超时参数，超时不拥有锁

而后面释放锁资源的时候，会先判断是否拥有锁资源，代码如下：

尝试加锁的源码：

由红方框里面可知，try_lock()函数会返回TRUE或者FALSE，所以就变成和上面两个一样的了。

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
//Linux -lpthread
using namespace std;
 
int main(int argc, char* argv[])
{
    {
        static mutex mux;
        {
            unique_lock<mutex> lock(mux);//创建lock对象的时候就已经加锁了
            lock.unlock();//可以临时释放锁
            lock.lock();  //也可以临时加锁
        }
        {
            //已经拥有锁 就不再锁定了，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);
            //后面需要我们主动的去加锁 退出栈区解锁
            lock.lock();
        }
        {
            //mux.lock();
            //尝试加锁 不阻塞 失败不拥有锁(退出栈区不解锁) 成功的话就拥有锁
            unique_lock<mutex> lock(mux, try_to_lock);
 
            if (lock.owns_lock())
            {
                cout << "owns_lock" << endl;
            }
            else
            {
                cout << "not owns_lock" << endl;
            }
        }
    }
    return 0;
}

 

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3.4 C++14 shared lock共享锁包装器

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
//Linux -lpthread
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
    {
        //共享锁
        static shared_timed_mutex  tmux;
        //读取锁 共享锁
        {         
            shared_lock<shared_timed_mutex> lock(tmux);//这行代码调用共享锁
            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;
        }
    }
    getchar();
    return 0;
}

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3.5 c++17 scoped_lock 解决互锁造成的死锁

        这个封装器自在C++17中支持，记得设置C++17
        死锁问题：如下图所示，线程 A 持有资源 2，线程 B 持有资源 1，在各自的锁没有解开的情况下，他们同时申请对方的资源，由于得不到锁资源，这两个线程就会互相等待而进入死锁状态。

 模拟死锁

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
//Linux make: g++ -std=c++14 -o main main8.c -lpthread
using namespace std;

static mutex mux1;
static mutex mux2;

void TestScope1(){
    //模拟死锁 停100ms等另一个线程锁mux2
    //这里只是使用sleep函数模拟业务逻辑，真正的业务当中不应该有sleep,因为这个是占用CPU资源的。
    this_thread::sleep_for(100ms);
    cout << this_thread::get_id() << " TestScope1 mux1 lock" << endl;
    mux1.lock();
    cout << this_thread::get_id() << " begin mux2 lock" << endl;
    mux2.lock(); //死锁
    cout << "TestScope1" << endl;
    this_thread::sleep_for(1000ms);
    mux1.unlock();
    mux2.unlock();
}
//上锁的顺序：2->1->2->1
void TestScope2(){
    cout << this_thread::get_id() << " TestScope2 mux2 lock" << endl;
    mux2.lock();
    this_thread::sleep_for(500ms);
    cout << this_thread::get_id() << " begin mux1 lock" << endl;
    mux1.lock();//死锁
    cout << "TestScope2" << endl;
    this_thread::sleep_for(1500ms);
    mux1.unlock();
    mux2.unlock();
}
 
int main(int argc, char* argv[]){	//演示死锁情况
    {
        {
            thread th(TestScope1);
            th.detach();
        }
        {
            thread th(TestScope2);
            th.detach();
        }
    }
    getchar();
    return 0;
}

 

解决死锁问题：其他代码都不动，只修改TestScope1()的代码即可 

#include <thread>
#include <iostream>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>
//Linux make: g++ -std=c++17 -o main main8.c -lpthread
using namespace std;
 
static mutex mux1;
static mutex mux2;
 
void TestScope1(){
    //模拟死锁 停100ms等另一个线程锁mux2
    //这里只是使用sleep函数模拟业务逻辑，真正的业务当中不应该有sleep,因为这个是占用CPU资源的。
    this_thread::sleep_for(100ms);
    cout << this_thread::get_id() << " begin mux1 lock" << endl;
    //mux1.lock();
    cout << this_thread::get_id() << " begin mux2 lock" << endl;
    //mux2.lock(); //死锁
 
    //c++11
    //这种，它必须两个同时锁住，才会进行下一步操作，如果没有会释放锁，这样就不会占用到两个锁
    //lock(mux1, mux2);
    //c++17
    scoped_lock lock(mux1, mux2); // 解决死锁，可以传多个锁。
 
    cout << "TestScope1" << endl;
    this_thread::sleep_for(1000ms);
    //mux1.unlock();
    //mux2.unlock();
}
//上锁的顺序：2->1->2->1
void TestScope2(){
    cout << this_thread::get_id() << " begin mux2 lock" << endl;
    mux2.lock();
    this_thread::sleep_for(500ms);
    cout << this_thread::get_id() << " begin mux1 lock" << endl;
    mux1.lock();//死锁
    cout << "TestScope2" << endl;
    this_thread::sleep_for(1500ms);
    mux1.unlock();
    mux2.unlock();
}
 
int main(int argc, char* argv[]){
    {
        //演示死锁情况
        {
            thread th(TestScope1);
            th.detach();
        }
        {
            thread th(TestScope2);
            th.detach();
        }
    }
    getchar();
    return 0;
}

 

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3.7 条件变量应用场景生产者消费者信号处理

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队列中数据）

核心的关键点，生产者和消费者是在不同的线程的，并且可能有多个生产者和多个消费者，他们之间怎么去通信，甚至去均衡多个线程去分配他们去怎么做？
之前的生产者和消费者是怎么做的？生产者发出数据之后，消费者按照固定的时延进行接收，两者之间是相互独立的，而现在是想，一旦当生产者生产出数据之后，就立马通知消费者去处理。而这个通知就是信号量，有了这个之后，可以使得消费者阻塞在那儿，而阻塞是不占用CPU资源的，通过信号量通知消费者解除阻塞。

生产者模型步骤：

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

消费者模型步骤：

 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：
            2.1 无lambada 表达式
            2.2 lambada 表达式 cv.wait(lock, [] {return !msgs_.empty();});

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3.8 condition variable代码示例读写线程 

模仿一个写入线程多个读取线程

#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <list>
#include <string>
#include <sstream>
#include <condition_variable> // std::condition_variable
 
using namespace std;
list<string> msgs_;
mutex mux;
condition_variable cv;	//信号量的定义

void ThreadWrite(){
    for(int i = 0;; i++){
        stringstream ss;
        ss << "Write msg " << i;        //字符串拼接，把"Write msg "和i拼在一起，并存放在ss中
        unique_lock<mutex> lock(mux);   //在这里加锁，确保锁住
        msgs_.push_back(ss.str());      //ss.str()<=>ss.data()都返回当前字符串的内容
        //这里为什么要先进行解锁呢？假如这里没有解锁，那么notify_one在调用的时候，在下面
        //读取线程中的wait函数，wait他需要先锁定，而这里的又没有释放，那么程序就会阻塞，就会造成死锁
        lock.unlock();                  //释放锁
        //cv.notify_one();                //发送信号，通知一个读线程进入
        cv.notify_all();              //即使发送通知信号给所有线程，也只有一个线程能进入
        this_thread::sleep_for(500ms);  //每500ms写一个数据，然后通知读取线程去处理
    }
}

void ThreadRead(int i){
    for(;;){
        cout << "开始读取数据" << endl;
        unique_lock<mutex> lock(mux);//加锁
        //这个wait什么时候解除阻塞，需要等到cv.notify_one();按次序通知到他，
        //如果是notify_all，所有在wait的线程都会返回"开始读取数据"，最终还是只能有一个线程能进入读取
        //如果是notify_one就只有一个会返回"开始读取数据"，最终还是只能有一个线程能进入读取
        cv.wait(lock, [i]
            {
                cout << "线程 " << i << " 等待" << endl;
                //msgs_.empty()当是空的时候返回TRUE，TRUE的话相当于阻塞是不应该进行的，看wait源码可知
                //return true;//当一直返回TRUE的话，不管有无信号wait都不会阻塞，而继续往下执行
                //当一直返回FALSE的话，没有信号的话连这个wait都不进入
                //有信号会一直阻塞在这儿，并按照信号间隔进入此wait函数
                //return false;
                return !msgs_.empty();
            });
        //获取信号后锁定
        while (!msgs_.empty()){
            cout << "线程 " << i << " 开始读取数据" << msgs_.front() << endl;
            msgs_.pop_front();
        }
    }
}

void threadread(int i){//比较简单的演示
    for(;;){
        cout << "read msg" << endl;
        unique_lock<mutex> lock(mux);//加锁
        cv.wait(lock);//是先解锁、阻塞等待信号，获取信号会锁定，所以做消息的处理是线程安全的
        //获取信号后锁定
        while (!msgs_.empty()){
            cout << "thread " << i << " read mumber " << 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);//带lambda表达式的wait
        thread th(threadread, i + 1);//单纯的wait
        th.detach();
    }
    getchar();//放在这里面，阻塞住当前的操作
    return 0;
}

当改成cv.notify_all();的时候，运行结果是这样的： 

 

也就是三个线程都有响应，但是还是只有一个进入读取。 

#include <thread>
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <list>
#include <string>
#include <sstream>
#include <condition_variable> // std::condition_variable

using namespace std;
list<string> msgs_;
mutex mux;
condition_variable cv;
void ThreadWrite()
{
    for (int i = 0;; i++)
    {
        stringstream ss;
        ss << "Write msg " << i;        //字符串拼接，把"Write msg "和i拼在一起，并存放在ss中
        unique_lock<mutex> lock(mux);   //在这里加锁，确保锁住
        msgs_.push_back(ss.str());      //ss.str()<=>ss.data()都返回当前字符串的内容
        //这里为什么要先进行解锁呢？假如这里没有解锁，那么notify_one在调用的时候，在下面
        //读取线程中的wait函数，wait他需要先锁定，而这里的又没有释放，那么程序就会阻塞，就会造成死锁
        lock.unlock();                  //释放锁
        cv.notify_one();                //先解完锁后，发送信号，通知一个读线程进入
        //cv.notify_all();                //即使发送通知信号给所有线程，也只有一个线程能进入
        this_thread::sleep_for(3s);     //每3s写一个数据，然后通知读取线程去处理
    }
}
void ThreadRead(int i)
{
    for (;;)
    {
        cout << "开始读取数据" << endl;
        unique_lock<mutex> lock(mux);//加锁
        //这个wait什么时候解除阻塞，需要等到cv.notify_one();按次序通知到他，
        //如果是notify_all，所有在wait的线程都会返回"开始读取数据"，最终还是只能有一个线程能进入读取
        //如果是notify_one就只有一个会返回"开始读取数据"，最终还是只能有一个线程能进入读取
        cv.wait(lock, [i]
            {
                cout << "线程 " << i << " 等待" << endl;
                //msgs_.empty()当是空的时候返回TRUE，TRUE的话相当于阻塞是不应该进行的，看wait源码可知
                //return true;//当一直返回TRUE的话，不管有无信号wait都不会阻塞，而继续往下执行
                //当一直返回FALSE的话，没有信号的话连这个wait都不进入
                //有信号会一直阻塞在这儿，并按照信号间隔进入此wait函数
                //return false;
                return !msgs_.empty();
            });
        //获取信号后锁定
        while (!msgs_.empty())
        {
            cout << "线程 " << i << " 开始读取数据" << msgs_.front() << endl;
            msgs_.pop_front();
        }
    }
}
 
void threadread(int i)//比较简单的演示
{
    for (;;)
    {
        cout << "read msg" << endl;
        unique_lock<mutex> lock(mux);//加锁
        cv.wait(lock);//是先解锁、阻塞等待信号，获取信号会锁定，所以做消息的处理是线程安全的
        //获取信号后锁定
        while (!msgs_.empty())
        {
            cout << "thread " << i << " read mumber " << 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);//带lambda表达式的wait
        //thread th(threadread, i + 1);//单纯的wait
        th.detach();
    }
    getchar();//放在这里面，阻塞住当前的操作
    return 0;
}