C++11 标准为我们提供了两种基本的锁类型,分别如下:
- std::lock_guard,与 Mutex RAII 相关,方便线程对互斥量上锁。
- std::unique_lock,与 Mutex RAII 相关,方便线程对互斥量上锁,但提供了更好的上锁和解锁控制。
另外还提供了几个与锁类型相关的 Tag 类,分别如下:
std::adopt_lock_t,一个空的标记类,定义如下:
该类型的常量对象adopt_lock(adopt_lock 是一个常量对象,定义如下:
通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。
std::<code>defer_lock_t</code>,一个空的标记类,定义如下:
该类型的常量对象 <code>defer_lock</code>(<code>defer_lock</code> 是一个常量对象,定义如下:
通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。
std::<code>try_to_lock_t</code>,一个空的标记类,定义如下:
该类型的常量对象 <code>try_to_lock</code>(<code>try_to_lock</code> 是一个常量对象,定义如下:
通常作为参数传入给 unique_lock 或 lock_guard 的构造函数。
后面我们会详细介绍以上三种 Tag 类型在配合 lock_gurad 与 unique_lock 使用时的区别。
std::lock_gurad 是 C++11 中定义的模板类。定义如下:
lock_guard 对象通常用于管理某个锁(Lock)对象,因此与 Mutex RAII 相关,方便线程对互斥量上锁,即在某个 lock_guard 对象的声明周期内,它所管理的锁对象会一直保持上锁状态;而 lock_guard 的生命周期结束之后,它所管理的锁对象会被解锁(注:类似 shared_ptr 等智能指针管理动态分配的内存资源 )。
模板参数 Mutex 代表互斥量类型,例如 std::mutex 类型,它应该是一个基本的 BasicLockable 类型,标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型,分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex,std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注:BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作,lock 和 unlock,另外还有 Lockable 类型,在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作,因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作:lock,unlock 和 try_lock;最后还有一种 TimedLockable 对象,在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作,因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作:lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。
在 lock_guard 对象构造时,传入的 Mutex 对象(即它所管理的 Mutex 对象)会被当前线程锁住。在lock_guard 对象被析构时,它所管理的 Mutex 对象会自动解锁,由于不需要程序员手动调用 lock 和 unlock 对 Mutex 进行上锁和解锁操作,因此这也是最简单安全的上锁和解锁方式,尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作,极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。
值得注意的是,lock_guard 对象并不负责管理 Mutex 对象的生命周期,lock_guard 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作,方便线程对互斥量上锁,即在某个 lock_guard 对象的声明周期内,它所管理的锁对象会一直保持上锁状态;而 lock_guard 的生命周期结束之后,它所管理的锁对象会被解锁。
lock_guard 构造函数如下表所示:
locking (1)
explicit lock_guard (mutex_type& m);
adopting (2)
lock_guard (mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
copy deleted
lock_guard (const lock_guard&) = delete;
在 print_thread_id 中,我们首先对 mtx 进行上锁操作(mtx.lock ();),然后用 mtx 对象构造一个 lock_guard 对象(std::lock_guard
但是 lock_guard 最大的缺点也是简单,没有给程序员提供足够的灵活度,因此,C++11 标准中定义了另外一个与 Mutex RAII 相关类 unique_lock,该类与 lock_guard 类相似,也很方便线程对互斥量上锁,但它提供了更好的上锁和解锁控制。
顾名思义,unique_lock 对象以独占所有权的方式( unique owership)管理 mutex 对象的上锁和解锁操作,所谓独占所有权,就是没有其他的 unique_lock 对象同时拥有某个 mutex 对象的所有权。
在构造(或移动(move)赋值)时,unique_lock 对象需要传递一个 Mutex 对象作为它的参数,新创建的 unique_lock 对象负责传入的 Mutex 对象的上锁和解锁操作。
std::unique_lock 对象也能保证在其自身析构时它所管理的 Mutex 对象能够被正确地解锁(即使没有显式地调用 unlock 函数)。因此,和 lock_guard 一样,这也是一种简单而又安全的上锁和解锁方式,尤其是在程序抛出异常后先前已被上锁的 Mutex 对象可以正确进行解锁操作,极大地简化了程序员编写与 Mutex 相关的异常处理代码。
值得注意的是,unique_lock 对象同样也不负责管理 Mutex 对象的生命周期,unique_lock 对象只是简化了 Mutex 对象的上锁和解锁操作,方便线程对互斥量上锁,即在某个 unique_lock 对象的声明周期内,它所管理的锁对象会一直保持上锁状态;而 unique_lock 的生命周期结束之后,它所管理的锁对象会被解锁,这一点和 lock_guard 类似,但 unique_lock 给程序员提供了更多的自由,我会在下面的内容中给大家介绍 unique_lock 的用法。
另外,与 lock_guard 一样,模板参数 Mutex 代表互斥量类型,例如 std::mutex 类型,它应该是一个基本的 BasicLockable 类型,标准库中定义几种基本的 BasicLockable 类型,分别 std::mutex, std::recursive_mutex, std::timed_mutex,std::recursive_timed_mutex (以上四种类型均已在上一篇博客中介绍)以及 std::unique_lock(本文后续会介绍 std::unique_lock)。(注:BasicLockable 类型的对象只需满足两种操作,lock 和 unlock,另外还有 Lockable 类型,在 BasicLockable 类型的基础上新增了 try_lock 操作,因此一个满足 Lockable 的对象应支持三种操作:lock,unlock 和 try_lock;最后还有一种 TimedLockable 对象,在 Lockable 类型的基础上又新增了 try_lock_for 和 try_lock_until 两种操作,因此一个满足 TimedLockable 的对象应支持五种操作:lock, unlock, try_lock, try_lock_for, try_lock_until)。
std::unique_lock 的构造函数的数目相对来说比 std::lock_guard 多,其中一方面也是因为 std::unique_lock 更加灵活,从而在构造 std::unique_lock 对象时可以接受额外的参数。总地来说,std::unique_lock 构造函数如下:
default (1)
unique_lock() noexcept;
locking (2)
explicit unique_lock(mutex_type& m);
try-locking (3)
unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag);
deferred (4)
unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept;
adopting (5)
unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag);
locking for (6)
template
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration& rel_time);
locking until (7)
template
unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point& abs_time);
copy [deleted] (8)
unique_lock(const unique_lock&) = delete;
move (9)
unique_lock(unique_lock&& x);
下面我们来分别介绍以上各个构造函数:
(1) 默认构造函数新创建的 unique_lock 对象不管理任何 Mutex 对象。
(2) locking 初始化新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,并尝试调用 m.lock() 对 Mutex 对象进行上锁,如果此时另外某个 unique_lock 对象已经管理了该 Mutex 对象 m,则当前线程将会被阻塞。(3) try-locking 初始化新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,并尝试调用 m.try_lock() 对 Mutex 对象进行上锁,但如果上锁不成功,并不会阻塞当前线程。(4) deferred 初始化新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,但是在初始化的时候并不锁住 Mutex 对象。 m 应该是一个没有当前线程锁住的 Mutex 对象。(5) adopting 初始化新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m, m 应该是一个已经被当前线程锁住的 Mutex 对象。(并且当前新创建的 unique_lock 对象拥有对锁(Lock)的所有权)。(6) locking 一段时间(duration)新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m,并试图通过调用 m.try_lock_for(rel_time) 来锁住 Mutex 对象一段时间(rel_time)。(7) locking 直到某个时间点(time point)新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象m,并试图通过调用 m.try_lock_until(abs_time) 来在某个时间点(abs_time)之前锁住 Mutex 对象。(8) 拷贝构造 [被禁用]unique_lock 对象不能被拷贝构造。(9) 移动(move)构造新创建的 unique_lock 对象获得了由 x 所管理的 Mutex 对象的所有权(包括当前 Mutex 的状态)。调用 move 构造之后, x 对象如同通过默认构造函数所创建的,就不再管理任何 Mutex 对象了。
综上所述,由 (2) 和 (5) 创建的 unique_lock 对象通常拥有 Mutex 对象的锁。而通过 (1) 和 (4) 创建的则不会拥有锁。通过 (3),(6) 和 (7) 创建的 unique_lock 对象,则在 lock 成功时获得锁。
std::unique_lock 支持移动赋值(move assignment),但是普通的赋值被禁用了,
move (1)
unique_lock& operator= (unique_lock&& x) noexcept;
copy [deleted] (2)
unique_lock& operator= (const unique_lock&) = delete;
移动赋值(move assignment)之后,由 x 所管理的 Mutex 对象及其状态将会被新的 std::unique_lock 对象取代。
如果被赋值的对象之前已经获得了它所管理的 Mutex 对象的锁,则在移动赋值(move assignment)之前会调用 unlock 函数释放它所占有的锁。
调用移动赋值(move assignment)之后, x 对象如同通过默认构造函数所创建的,也就不再管理任何 Mutex 对象了。请看下面例子(参考):
本节我们来看看 std::unique_lock 的主要成员函数。由于 std::unique_lock 比 std::lock_guard 操作灵活,因此它提供了更多成员函数。具体分类如下:
上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 lock 函数。如果在调用 Mutex 对象的 lock 函数时该 Mutex 对象已被另一线程锁住,则当前线程会被阻塞,直到它获得了锁。
该函数返回时,当前的 unique_lock 对象便拥有了它所管理的 Mutex 对象的锁。如果上锁操作失败,则抛出 system_error 异常。
std:: unique_lock::try_lock
上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock 函数,如果上锁成功,则返回 true,否则返回 false。
std:: unique_lock::try_lock_for
上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock_for 函数,如果上锁成功,则返回 true,否则返回 false。
std:: unique_lock::try_lock_until
上锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 try_lock_for 函数,如果上锁成功,则返回 true,否则返回 false。
std:: unique_lock::unlock
解锁操作,调用它所管理的 Mutex 对象的 unlock 函数。
请看下面例子(参考):
std:: unique_lock::release
返回指向它所管理的 Mutex 对象的指针,并释放所有权。
std:: unique_lock::owns_lock
返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁。
请看下面例子(参考):
std:: unique_lock::operator bool()
与 owns_lock 功能相同,返回当前 std::unique_lock 对象是否获得了锁。
std:: unique_lock::mutex
返回当前 std::unique_lock 对象所管理的 Mutex 对象的指针。
好了,本文先介绍到这里,我们基本上介绍完了 C++11 多线程编程中两种最基本的锁类型,后面我会继续更新有关 C++11 并发编程的博客,希望感兴趣的同学继续关注 ;-)
Original: https://www.cnblogs.com/haippy/p/3346477.html
Author: Haippy
Title: C++11 并发指南三(Lock 详解)
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