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线程锁-互斥、自旋、读写、原子操作、线程池

news 2025/8/5 15:53:27

1.自旋锁

2.互斥锁

原子操作

线程池

多线程同步编程详解

多线程同步是并发编程中的核心概念，下面我将详细介绍互斥锁、自旋锁、读写锁、原子操作和线程池，并提供代码示例、使用条件和常见易错点。

1. 互斥锁 (Mutex)

基本概念

互斥锁是最常用的线程同步机制，用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问临界区。

代码示例 (C++11)

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>std::mutex mtx;
int shared_data = 0;void increment() {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {mtx.lock();++shared_data;mtx.unlock();}
}int main() {std::thread t1(increment);std::thread t2(increment);t1.join();t2.join();std::cout << "Final value: " << shared_data << std::endl;return 0;
}

使用条件

当多个线程需要访问同一共享资源时
临界区代码执行时间较长（如文件I/O、复杂计算）

注意事项

避免死锁：确保锁总是被释放，可以使用std::lock_guard或std::unique_lock自动管理
锁粒度：锁的范围不宜过大，否则会降低并发性能
异常安全：临界区内可能抛出异常，导致锁无法释放

易错点

忘记解锁（推荐使用RAII风格的锁管理）
锁的嵌套使用不当导致死锁
在不同函数中加锁/解锁，导致逻辑混乱

2. 自旋锁 (Spinlock)

基本概念

自旋锁是一种忙等待锁，线程在获取锁失败时会循环检查锁状态，而不是被挂起。

代码示例 (C++11)

#include <atomic>
#include <thread>class Spinlock {std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
public:void lock() {while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire));}void unlock() {flag.clear(std::memory_order_release);}
};Spinlock spin;
int shared_data = 0;void increment() {for (int i = 0; i < 100000; ++i) {spin.lock();++shared_data;spin.unlock();}
}int main() {std::thread t1(increment);std::thread t2(increment);t1.join();t2.join();std::cout << "Final value: " << shared_data << std::endl;return 0;
}

使用条件

临界区代码执行时间非常短
不希望线程被挂起（避免上下文切换开销）
多核处理器环境

注意事项

CPU占用：自旋锁会持续占用CPU
单核慎用：单核CPU上可能导致性能问题
优先级反转：高优先级线程可能被低优先级线程阻塞

易错点

在长时间临界区使用自旋锁（应改用互斥锁）
忘记释放自旋锁
在单核系统上使用导致性能下降

3. 读写锁 (Read-Write Lock)

基本概念

读写锁允许多个读操作同时进行，但写操作需要独占访问，适用于读多写少的场景。

代码示例 (C++17)

#include <shared_mutex>
#include <thread>
#include <vector>std::shared_mutex rw_mutex;
int shared_data = 0;void reader(int id) {for (int i = 0; i < 5; ++i) {{std::shared_lock lock(rw_mutex);std::cout << "Reader " << id << " sees: " << shared_data << std::endl;}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));}
}void writer(int id) {for (int i = 0; i < 2; ++i) {{std::unique_lock lock(rw_mutex);++shared_data;std::cout << "Writer " << id << " updated to: " << shared_data << std::endl;}std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(200));}
}int main() {std::vector<std::thread> readers;for (int i = 0; i < 5; ++i) {readers.emplace_back(reader, i);}std::vector<std::thread> writers;for (int i = 0; i < 2; ++i) {writers.emplace_back(writer, i);}for (auto& t : readers) t.join();for (auto& t : writers) t.join();return 0;
}

使用条件

读操作远多于写操作
读操作不需要修改共享数据
读操作持续时间较长

注意事项

写者饥饿：持续有读者可能导致写者无法获取锁
升级问题：从读锁升级到写锁通常不支持
公平性：某些实现可能不公平，导致某些线程长期得不到机会

易错点

在持有读锁时修改数据（未定义行为）
错误估计读写比例（写多读少时性能可能不如互斥锁）
忽略锁的升级限制

4. 原子操作 (Atomic Operations)

基本概念

原子操作是不可分割的操作，由CPU直接保证其原子性，无需额外锁机制。

代码示例 (C++11)

#include <atomic>
#include <thread>
#include <vector>std::atomic<int> counter(0);void increment(int n) {for (int i = 0; i < n; ++i) {counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);}
}int main() {const int num_threads = 10;const int increments_per_thread = 100000;std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < num_threads; ++i) {threads.emplace_back(increment, increments_per_thread);}for (auto& t : threads) t.join();std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;return 0;
}

使用条件

简单的共享变量操作（如计数器、标志位）
需要最高性能的同步场景
对单个变量的操作

注意事项

内存顺序：理解并正确使用memory_order
复合操作：多个原子操作组合不是原子的
ABA问题：某些场景下需要考虑

易错点

错误使用memory_order导致可见性问题
认为多个原子操作组合是原子的
忽略缓存一致性问题

5. 线程池 (Thread Pool)

基本概念

线程池预先创建一组线程，避免频繁创建销毁线程的开销，提高任务执行效率。

代码示例 (C++11简单实现)

#include <vector>
#include <thread>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <functional>
#include <future>class ThreadPool {
public:ThreadPool(size_t threads) : stop(false) {for (size_t i = 0; i < threads; ++i) {workers.emplace_back([this] {while (true) {std::function<void()> task;{std::unique_lock<std::mutex> lock(this->queue_mutex);this->condition.wait(lock, [this] {return this->stop || !this->tasks.empty();});if (this->stop && this->tasks.empty()) return;task = std::move(this->tasks.front());this->tasks.pop();}task();}});}}template<class F, class... Args>auto enqueue(F&& f, Args&&... args) -> std::future<typename std::result_of<F(Args...)>::type> {using return_type = typename std::result_of<F(Args...)>::type;auto task = std::make_shared<std::packaged_task<return_type()>>(std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...));std::future<return_type> res = task->get_future();{std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);if(stop) throw std::runtime_error("enqueue on stopped ThreadPool");tasks.emplace([task](){ (*task)(); });}condition.notify_one();return res;}~ThreadPool() {{std::unique_lock<std::mutex> lock(queue_mutex);stop = true;}condition.notify_all();for (std::thread &worker : workers)worker.join();}private:std::vector<std::thread> workers;std::queue<std::function<void()>> tasks;std::mutex queue_mutex;std::condition_variable condition;bool stop;
};// 使用示例
int main() {ThreadPool pool(4);std::vector<std::future<int>> results;for (int i = 0; i < 8; ++i) {results.emplace_back(pool.enqueue([i] {std::cout << "Task " << i << " started\n";std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));std::cout << "Task " << i << " finished\n";return i*i;}));}for (auto&& result : results)std::cout << "Result: " << result.get() << std::endl;return 0;
}

使用条件

需要执行大量短期任务
避免频繁创建销毁线程的开销
需要限制并发线程数量

注意事项

任务队列大小：无界队列可能导致内存耗尽
异常处理：任务中的异常需要妥善处理
线程数量：根据CPU核心数和任务类型选择合适数量
任务依赖：注意任务间的依赖关系

易错点

忘记正确处理线程池关闭
任务抛异常导致线程退出
任务之间有共享状态但未同步
线程数量设置不合理（过多或过少）

综合对比

同步机制	适用场景	优点	缺点
互斥锁	一般共享资源访问	简单可靠，线程挂起不占CPU	上下文切换开销大
自旋锁	极短临界区，多核	无上下文切换，响应快	忙等待消耗CPU
读写锁	读多写少场景	允许多个读者并发	实现复杂，可能写者饥饿
原子操作	简单变量操作	最高性能，无锁	只能用于简单操作
线程池	大量短期任务	避免线程创建开销，控制并发度	实现复杂，需管理任务队列