11月24, 2018

C++多线程中的锁和条件变量使用

在做多线程编程时,有两个场景我们都会遇到:

  1. 多线程访问共享资源,需要用到锁;
  2. 多线程间的状态同步,这个可用的机制很多,条件变量是广泛使用的一种。

今天我用一个简单的例子来给大家介绍下锁和条件变量的使用。

代码使用C++11

示例代码

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <condition_variable>

std::mutex              g_mutex;     // 用到的全局锁
std::condition_variable g_cond;      // 用到的条件变量

int  g_i       = 0;
bool g_running = true;

void ThreadFunc(int n) {             // 线程执行函数
  for (int i = 0; i < n; ++i) {
    {
      std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);      // 加锁,离开{}作用域后锁释放
      ++g_i;
      std::cout << "plus g_i by func thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    }
  }

  std::unique_lock<std::mutex> lock(g_mutex);        // 加锁
  while (g_running) {
    std::cout << "wait for exit" << std::endl;
    g_cond.wait(lock);                               // wait调用后,会先释放锁,之后进入等待状态;当其它进程调用通知激活后,会再次加锁
  }

  std::cout << "func thread exit" << std::endl;
}

int main() {
  int         n = 100;
  std::thread t1(ThreadFunc, n);       // 创建t1线程(func thread),t1会执行`ThreadFunc`中的指令

  for (int i = 0; i < n; ++i) {
    {
      std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
      ++g_i;
      std::cout << "plus g_i by main thread " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    }
  }

  {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
    g_running = false;
    g_cond.notify_one();      // 通知其它线程
  }

  t1.join();         // 等待线程t1结束

  std::cout << "g_i = " << g_i << std::endl;
}

程序运行后,关键输出如下:

plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by func thread 139921006847744
plus g_i by func thread 139921006847744
plus g_i by func thread 139921006847744
plus g_i by func thread 139921006847744
plus g_i by func thread 139921006847744
wait for exit                             // func thread等待main thread发来的退出信号
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
plus g_i by main thread 139921025066816
func thread exit
g_i = 200          // 锁机制保证了g_i的正确

可以看到:

  1. 两个线程有各自的线程id(thread id),通过std::this_thread::get_id()获得;
  2. 两个线程交替执行,需要有先后顺序时,就可以通过条件变量这种机制来做到;
  3. 通过锁机制(mutex)保证了g_i计算结果的正确

加锁方法介绍

加锁相关的代码为:

{
  std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
  ......
}

要点为:

  1. 首先,这在一个局部作用域内,std::lock_guard在构造时,会调用g_mutex->lock()方法;
  2. 局部作用域代码结束后,std:;lock_guard的析构函数会被调用,函数中会调用g_mutex->unlock()方法。

这样就实现了加锁和解锁的过程,为什么不直接调用加锁解锁方法呢?

我想,这是因为如果加锁和解锁中间的代码出现了问题,导致线程函数异常退出,那么这个锁就一直无法得到释放,其它线程处理的不好的话,就会造成死锁了。

条件变量使用介绍

  1. 当线程调用g_cond.wait(lock)前要先手动调用lock->lock(),这里是通过std::unique_lock的构造方法实现的;
  2. 当线程调用g_cond.wait(lock)进入等待后,会调用lock->unlock()方法,所以这也是前面构造lock时使用了std::unique_lock;
  3. 通知使用的g_cond.notify_one(),这个可以通知一个线程,另外还有g_cond.notify_all()用于通知所有线程;
  4. 线程收到通知的代码放在一个while循环中,这是为了防止APUE中提到的虚假通知。

结束语

上面是我对C++11中多线程加锁和条件变量使用的基本认识,有不当的地方,还望指正。

参考

cppreference:https://en.cppreference.com/w/cpp/thread

APUE:https://book.douban.com/subject/1439495/

本文链接:https://www.opsdev.cn/post/thread.html

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