C++11 并发指南之std::mutex详解

什么是std::mutex？

std::mutex是C++11标准中一个用于保护共享数据的同步原语。它是一个轻量级的锁，可以用于实现临界段或者锁保护的互斥访问。当一个线程执行到std::mutex的lock()方法时，如果此前该锁已经被另一个线程占用，那么该线程会被挂起，直到该锁被释放为止。

std::mutex 如何使用？

std::mutex非常易用，只需要在需要进行互斥访问的代码段前调用std::mutex的lock()方法，代码段执行完毕后再使用unlock()方法释放该锁就可以了。例如：

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

std::mutex m;
int i = 0;

void f() {
    m.lock();
    i++; // 对共享数据进行修改
    m.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(f);
    std::thread t2(f);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << i << std::endl; // 可能打印的结果为2
    return 0;
}

在上述代码中，两个线程共同修改了一个全局变量i，由于i是共享数据，因此需要使用std::mutex来进行保护。在线程执行到修改i的代码前先调用m.lock()方法对该锁进行加锁，修改完i后再使用m.unlock()方法释放该锁。

另外，还可以使用C++11提供的std::lock_guard一次性加锁和解锁，代码会更简洁：

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

std::mutex m;
int i = 0;

void f() {
    std::lock_guard<std::mutex> lk(m); // 自动加锁和解锁
    i++; // 对共享数据进行修改
}

int main() {
    std::thread t1(f);
    std::thread t2(f);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << i << std::endl; // 可能打印的结果为2
    return 0;
}

使用std::lock_guard可以避免手动加锁解锁的问题，更优雅。

std::mutex的注意事项

• 一定要记得加锁和解锁；

• 尽量不要在锁住的代码段中调用其他可能会阻塞的代码，否则容易引起死锁；

• 尽量使用std::lock_guard等RAII技术来管理锁，避免手工开闭锁；

• 避免线程占用时间过长，在锁住的代码段中尽快完成临界区的操作。

示例：

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

std::mutex m1, m2;
int i = 0;

void g() {
    std::lock_guard<std::mutex> lk1(m1); // 自动加锁和解锁
    std::lock_guard<std::mutex> lk2(m2); // 自动加锁和解锁
    i++; // 对共享数据进行修改
}

void h() {
    std::lock_guard<std::mutex> lk2(m2); // 自动加锁和解锁
    std::lock_guard<std::mutex> lk1(m1); // 自动加锁和解锁
    i++; // 对共享数据进行修改
}

int main() {
    std::thread t1(g);
    std::thread t2(h);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << i << std::endl; // 可能打印的结果为2
    return 0;
}

在这个示例中，两个线程都试图获取m1和m2两个锁，但是获取锁的顺序不同，会出现死锁的情况。如果在锁住的代码段中调用了可能会阻塞的代码，也同样容易产生死锁问题。

总结

std::mutex是C++11中用于实现线程同步的一个重要内容。它是一个轻量级且易用的互斥锁，可用于任何需要保护共享数据的临界段。使用std::mutex需要注意以下几点：加锁和解锁不能忘记，尽量使用RAII技术来保护锁，避免产生死锁问题，避免阻塞操作。