線程的互斥和同步（8）- C++11中的互斥鎖和條件變量

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1. 互斥鎖

之前講過使用Windows的API和Qt中如何創建和使用互斥鎖。接下來，主要說明一下C++11中的互斥鎖。
c++11中的互斥鎖主要有如下幾種：

互斥鎖	說明
mutex	最基本的互斥鎖，不可重入
timed_mutex	具有超時機制的互斥鎖
recursive_mutex	可重入的互斥鎖
recursive_timed_mutex	結合 timed_mutex 和 recursive_mutex 特點的互斥量

他們都有加鎖（lock）、嘗試加鎖（trylock）和解鎖（unlock）的方法。

(1) 遞歸鎖和非遞歸鎖

這裏說明一下 遞歸鎖 和 非遞歸鎖

• 遞歸鎖 ，可重入鎖。表示同一線程中，可以多次加鎖，要解鎖相應的次數才能夠解鎖。
• 非遞歸鎖 ，不可重入。表示如果多次加鎖，會阻塞導致線程死鎖。

Windows API CreateCreateMutex 和臨界區都屬於 遞歸鎖 。
而Qt中的 QMutex 創建時默認是 非遞歸的鎖 ，構造中傳入參數 Recursive （可遞歸），如果不傳則默認爲 NonRecursive (非遞歸)。

接下來舉一個例子來說明：

std::mutex g_mutex;
int g_number = 0;

void func2(void);
void func(void)
{
	g_mutex.lock();
	++g_number;
	func2();
	g_mutex.unlock();
}

void func2(void)
{
	g_mutex.lock();
	++g_number;
	g_mutex.unlock();
}

如果在線程中，調用函數 func() 就會引起線程 死鎖 ，因爲它加鎖兩次。
而使用 std::recursive_mutex 替換 std::mutex 就沒有死鎖的問題。
但是，這並不意味着，我們就需要使用 遞歸鎖 ，使用 非遞歸鎖 更容易定位我們程序中的問題。

(2) 互斥鎖管理類

之前我們在j講 QMutex 的時候，同時講解了RALL的 QMutexLocker ；C++11中也提供了類似的方法。
Qt中的互斥鎖可參照：線程的互斥和同步（4）- Qt中的互斥鎖（QMutex和QMutexLocker）

互斥鎖管理類	說明
lock_guard	基於作用域的互斥量管理
unique_lock	更加靈活的互斥量管理

• lock_guard , 沒有 lock 和 unlock 僅提供構造時加鎖，析構時解鎖。
• unique_lock , 允許延遲鎖定、鎖定的有時限嘗試、遞歸鎖定、所有權轉移和與條件變量一同使用。

比如可以這麼使用一個互斥鎖管理器：

void func(void)
{
	std::unique_lock<std::mutex> locker(g_mutex, std::defer_lock);
	locker.lock();

	++g_number;
}

locker 在構造的時候可以指定爲構造時加鎖還是不加鎖。
這裏使用 std::defer_lock 表明構造的時候不加鎖，使用 adopt_lock 表示構造的時候同時加鎖。
析構時，根據當前的鎖屬性判斷是否解鎖，如果當前爲加鎖狀態，析構時就解鎖。

unique_lock 它滿足可移動構造 (MoveConstructible) 和可移動賦值 (MoveAssignable) 但不滿足可複製構造 (CopyConstructible) 或可複製賦值 (CopyAssignable) 。
同時還有方法 swap (與另一 std::unique_lock 交換狀態) 和 release (將關聯互斥解關聯而不解鎖它)

關於 unique_lock 的更多使用，可參照：
https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/unique_lock

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2. std::condition_variable

之前講了使用Qt創建和使用條件變量，C++11中也提供了對於條件變量的操作方法
線程的互斥和同步（7）- Qt的條件變量QWaitCondition

它同樣提供了wait和喚醒的方法

• 等待：wait 、wait_for 、 wait_until
• 喚醒：notify_one （喚醒一個） 和 notify_all (喚醒全部)

這裏需要注意的是 虛假喚醒 ：
虛假喚醒 是指可能一個線程沒有發送喚醒通知，但是該線程已經被喚醒。

通常防止虛假喚醒的做法是，使用一個 while 循環，如果是虛假喚醒，則繼續等待：

std::mutex g_mutex;
std::condition_variable var;
bool g_pred = false;

void func(void)
{
	std::unique_lock<std::mutex> locker(g_mutex);

	// 循環等待，防止虛假喚醒
	while (!g_pred)
	{
		// 當喚醒時，g_pred 將設置爲true
		var.wait(locker);
	}
}

也可以寫成如下方式：

std::mutex g_mutex;
std::condition_variable var;
bool g_pred = false;

void func(void)
{
	std::unique_lock<std::mutex> locker(g_mutex);

	// 防止虛假喚醒
	var.wait(locker, [] {return g_pred; });
}

此處的 wait 函數的第二個參數，爲一個仿函數（lambda表達式就是一個匿名仿函數），如果返回值爲 true 則忽略虛假喚醒；否則繼續等待。

關於 std::condition_variable 更多介紹，可參考：
https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/condition_variable

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作者：douzhq
個人博客：不會飛的紙飛機
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