C++中多线程间共享数据详解
在 C++ 中,我们可以通过构造 std::mutex (mutual exclusion)的实例来创建互斥,调用成员函数 lock() 对其加锁,调用 unlock() 解锁。但是不推荐直接调用成员函数的做法,因为这样做,那我们就必须在该函数的每条路径上都调用 unlock(),包括异常导致退出的路径。取而代之,C++标准库提供了类模板 std::lock_guard<>,针对互斥类融合RAII手法:在构造的时候给互斥加锁,在析构时进行解锁,从而保证互斥总被正确解锁。
std::mutex的基本用法
std::list<int> some_list; std::mutex some_mutex; void add_to_list(int new_value){ std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex); some_list.push_back(new_value); } bool list_contains(int value_to_find){ std::lock_guard<std::mutex> guard(some_mutex); return std::find(some_list.begin(), some_list.end(), value_to_find) != some_list.end(); }
防范死锁
防范死锁的通常建议是,始终按相同顺序对两个互斥加锁。若我们总是先锁互斥A,再锁互斥B,则永远不会发生死锁。但是有时会出现一些棘手的问题,例如,一个函数,其操作同一个类的两个实例,交换它们内部的数据为了保证并发时,免受其他改动的影响,需要对它们进行加锁,但是函数入参的顺序可以改变,即可以是swap(A,B)也可以是swap(B,A),当同时发生这种情况时,死锁也会发生。因此需要一种方式来,来同时锁住两个互斥,而不是谁先谁后。即要求“全员共同成败”(all-or-nothing,或全部成功锁定,或没获取任何锁并抛出异常)的语义。
使用 std::lock() 函数,同时锁住互斥。
class some_big_object; void swap(some_big_object& lhs, some_big_object& rhs); class X{ private: some_big_object some_detail; std::mutex m; public: X(const some_big_object &sd):some_detail(sd){} friend void swap(X& lhs, X& rhs){ if(&lhs == &rhs){ return; } std::lock(lhs.m, rhs.m); std::lock_guard lock_a(lhs.m, std::adopt_lock); std::lock_guard lock_b(rhs.m, std::adopt_lock); swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail); } }
std::lock() 是一个函数,并不像 RAII 类一样,在析构时进行解锁。因此需要借助 std::lock_guard 类型的对象,让 std::mutex 在函数完成后进行解锁。std::adopt_lock 作为函数参数,表示 std::mutex 已经被锁住了,让std::lock_guard 类不需要在构造函数中对 std::mutex 进行加锁。C++ 17出现了 std::scoped_lock<> 模板类,其和 std::lock_guard<>完全等价,只不过前者是可变参数模板,接受各种互斥型别作为模板参数,还以多个互斥对象作为构造函数的参数列表,除了这些其还有与 std::lock() 函数一样的功能,因此可以改善上述代码。
void swap(X& lhs, X& rhs){ if(&lhs == &rhs){ return; } std::scoped_lock guard(lhs.m, rhs.m); swap(lhs.some_detail, rhs.some_detail); }
std::lock_guard 和 std::unique_lock
std::unique_lock 类支持在构造时暂时不获得锁,在需要的时候手动调用 lock(),而获得锁。其含有一个内部标志 __owns__(可以通过其成员函数 owns_lock() 获得),表明关联的互斥目前是否正被该类的实例上锁。假如 std::unique_lock 实例关联的互斥的确上锁了,则其析构函数必须调用unlock();若不然,实例并未将关联的互斥上锁,便绝不能调用 unlock()。
初始化时保护共享数据
void undefined_behaviour_with_double_checked_locking() { if(!resource_ptr){ //① std::lock_guard<std::mutex> lk(resource_mutex); // ② if(!resource_ptr){ resource_ptr.reset(new some_resource); } } resource_ptr->do_something(); }
在双重检查锁定模式中,一号线程执行到①发现条件满足(resource_ptr 为空),同时二号线程执行到①也发现条件满足,然后继续执行上锁操作②,此时一号线程也会去执行上锁操作,但是resource_mutex上的锁已经被二号线程持有了,这样就会发生数据竞争(当然会发生恶性数据竞争的路径不止这一条)。
为了解决这种情况,C++标准库中提供了 std::onec_flag 类 和 std::call_once 类。
std::shared_ptr<some_resource> resource_ptr; std::once_flag resource_flag; void init_resource() { resource_ptr.reset(new some_resource); } void foo() { std::call_once(resource_flag, init_resource); resource_ptr->do_something(); }
保护读多写少的数据
C++ 17 标准库提供了两种新的互斥:std::shared_mutex 和 std::shared_timed_mutex(C++14就有了)。两者的区别在于后者支持更多操作。
std::shared_mutex mutex; // 获取读锁(又叫共享锁) std::shared_lock read_lock(mutex); // 获取写锁(又叫排它锁) std::lock_guard write_lock(mutex);
假设共享锁已经被某些线程持有,若别的线程试图获取排他锁,就会发生阻塞,直到这些线程全都释放该共享锁。反之,如果任一线程持有排他锁,那么其他线程都无法获取共享锁或排它锁,直到持锁线程将排它锁释放为止。
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