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C++学习：六个月从基础到就业——多线程编程：互斥量与锁

news 2025/5/21 7:01:45

C++学习：六个月从基础到就业——多线程编程：互斥量与锁

本文是我C++学习之旅系列的第五十五篇技术文章，也是第四阶段"并发与高级主题"的第二篇，介绍C++11及以后标准中的互斥量（mutex）、锁（lock）等线程同步基础。查看完整系列目录了解更多内容。

引言

多线程程序中，多个线程对共享资源的访问会导致数据竞争和不确定行为。为保证数据一致性和线程安全，C++标准库提供了多种同步原语，其中最基础的就是互斥量（std::mutex）和各种锁（std::lock_guard、std::unique_lock等）。本篇将系统讲解C++中的互斥量与锁的用法、原理及常见陷阱。

多线程编程：互斥量与锁
- 引言
- 目录
- 互斥量基础
  - std::mutex的基本用法
  - std::lock_guard与RAII
  - std::unique_lock与灵活锁管理
  - 递归互斥量std::recursive_mutex
  - 定时锁定std::timed_mutex
- 多锁与死锁预防
  - std::lock和std::scoped_lock
  - 避免死锁的常用策略
- 读写锁（共享互斥量）
  - std::shared_mutex与std::shared_lock
- 实际应用案例
  - 线程安全的计数器
  - 线程安全的队列
- 常见问题与陷阱
  - 死锁与活锁
  - 锁粒度与性能
  - 异常安全与锁
- 总结

互斥量基础

std::mutex的基本用法

std::mutex是C++11标准库提供的最基础的互斥量类型。它用于保护临界区，确保同一时刻只有一个线程可以访问共享资源。

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

手动调用lock()和unlock()容易出错，推荐使用RAII风格的锁管理。

std::lock_guard与RAII

std::lock_guard是最简单的RAII锁管理器，构造时加锁，析构时自动解锁，适合简单场景。

#include <mutex>std::mutex mtx;void safeFunction() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 构造时加锁// 临界区
} // 离开作用域自动解锁

优点：

避免忘记解锁
异常安全

std::unique_lock与灵活锁管理

std::unique_lock比lock_guard更灵活，支持延迟加锁、提前解锁、锁的转移等。

#include <mutex>std::mutex mtx;void flexibleFunction() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock); // 不立即加锁// ...做一些准备...lock.lock(); // 手动加锁// ...临界区...lock.unlock(); // 手动解锁// ...非临界区...lock.lock(); // 重新加锁// ...再次进入临界区...
} // 离开作用域自动解锁（如果还持有锁）

unique_lock还可以与std::lock配合实现多互斥量的安全加锁。

递归互斥量std::recursive_mutex

递归互斥量允许同一线程多次获得同一个锁，适用于递归调用场景。

#include <mutex>std::recursive_mutex recMtx;void recursiveFunc(int n) {if (n <= 0) return;std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(recMtx);// ...临界区...recursiveFunc(n - 1); // 递归调用
}

注意：递归互斥量开销更大，非必要时应避免使用。

定时锁定std::timed_mutex

std::timed_mutex和std::recursive_timed_mutex支持超时锁定：

#include <mutex>
#include <chrono>
#include <iostream>std::timed_mutex tmtx;void tryLockWithTimeout() {if (tmtx.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(100))) {std::cout << "Lock acquired" << std::endl;tmtx.unlock();} else {std::cout << "Timeout, lock not acquired" << std::endl;}
}

多锁与死锁预防

std::lock和std::scoped_lock

std::lock可以一次性安全地锁定多个互斥量，避免死锁。C++17引入了std::scoped_lock，更简洁：

#include <mutex>std::mutex m1, m2;void safeMultiLock() {std::scoped_lock lock(m1, m2); // 同时加锁，顺序无关// ...临界区...
}

避免死锁的常用策略

始终以相同顺序加锁
使用std::lock/std::scoped_lock
尽量缩小锁的作用域
避免在持锁时调用用户回调

读写锁（共享互斥量）

std::shared_mutex与std::shared_lock

C++17引入了std::shared_mutex，允许多个线程同时读，但写时独占。

#include <shared_mutex>
#include <thread>
#include <iostream>std::shared_mutex rwMutex;
int sharedData = 0;void reader() {std::shared_lock lock(rwMutex);std::cout << "Read: " << sharedData << std::endl;
}void writer(int value) {std::unique_lock lock(rwMutex);sharedData = value;std::cout << "Write: " << sharedData << std::endl;
}

适用于读多写少的场景。

实际应用案例

线程安全的计数器

#include <mutex>class SafeCounter {int value = 0;std::mutex mtx;
public:void increment() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);++value;}int get() {std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);return value;}
};

线程安全的队列

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <optional>template<typename T>
class ThreadSafeQueue {std::queue<T> q;std::mutex mtx;std::condition_variable cv;
public:void push(T value) {{std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);q.push(std::move(value));}cv.notify_one();}std::optional<T> pop() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);if (q.empty()) return std::nullopt;T value = std::move(q.front());q.pop();return value;}// 支持阻塞等待T wait_and_pop() {std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);cv.wait(lock, [this]{ return !q.empty(); });T value = std::move(q.front());q.pop();return value;}
};

常见问题与陷阱

死锁与活锁

死锁：多个线程互相等待对方释放锁，导致程序卡死。
活锁：线程不断尝试获取锁但始终失败，导致无进展。

避免方法：使用std::lock/std::scoped_lock，保持加锁顺序一致，缩小锁粒度。

锁粒度与性能

粗粒度锁：简单但可能降低并发性能
细粒度锁：提高并发，但设计复杂，易出错

建议：根据实际需求权衡，优先保证正确性。

异常安全与锁

RAII锁（如lock_guard、unique_lock）能确保异常发生时自动释放锁，避免死锁。

总结

互斥量和锁是C++多线程同步的基础。合理使用std::mutex、std::lock_guard、std::unique_lock、std::scoped_lock等工具，可以有效避免数据竞争和死锁问题。C++17/20引入的shared_mutex、scoped_lock等进一步提升了并发性能和代码简洁性。

在下一篇文章中，我们将继续学习条件变量（std::condition_variable），它是实现线程间通信和同步的关键工具。

这是我C++学习之旅系列的第五十五篇技术文章。查看完整系列目录了解更多内容。

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