C++锁机制

互斥锁

成员方法：lock(), try_lock(), unlock() 

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std::mutex mutex
std::shared_mutex mutex
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myMutex.lock(); // 或者使用 std::lock_guard<std::mutex> guard(myMutex);
// 临界区代码
myMutex.unlock();
// 在 lock_guard 的情况下，不需要手动 unlock，它会在离开作用域时自动释放锁
// 尝试锁定两个互斥量
if (std::try_lock(lock1, lock2) == std::defer_lock) {
    // 成功锁定两个互斥量，执行临界区代码
    // ...
}
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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
// 定义互斥锁
std::mutex g_mutex;
 
// 临界区代码
void critical_section(int thread_id) {
    // 加锁
    g_mutex.lock();
    // 访问共享资源
    std::cout << "Thread " << thread_id << " enter critical section." << std::endl;
    // 释放锁
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));
    g_mutex.unlock();
}
 
int main() {
    // 创建两个线程
    std::thread t1(critical_section, 1);
    std::thread t2(critical_section, 2);
    // 等待两个线程执行完成
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

lock_guard

建议使用 lock_guard 替代直接使用 mutext.lock()、mutext.unlock()，lock_guard 会在构造方法里 mutext.lock()，析构方法里 mutext.unlock()，主要为了避免中途异常退出导致 mutext 没有 unlock，出了作用域后自动调用 lock_guard 的析构方法

unique_lock

lock_guard 只能在析构的时候解锁，不提供 unlock 接口，不够方便，unique_lock 提供 lock 和 unlock 接口，更灵活，虽然 unique_lock 比 lock_guard 灵活很多，但是效率上差一点，内存占用多一点。

递归锁

C++ 中的递归互斥量是一种特殊的互斥量，它可以被同一个线程多次锁定，而不会发生死锁。递归互斥量的实现原理是，在锁定时维护一个锁定计数器，每次解锁时将计数器减一，只有当计数器为 0 时才会释放锁

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
 
std::recursive_mutex mtx;
 
void foo(int n) {
    mtx.lock();
    std::cout << "Thread " << n << " locked the mutex." << std::endl;
    if (n > 1) {
        foo(n - 1);
    }
    std::cout << "Thread " << n << " unlocked the mutex." << std::endl;
    mtx.unlock();
}
 
int main() {
    std::thread t1(foo, 3);
    std::thread t2(foo, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

条件锁

成员方法：wait、wait_for、notify_one、notify_all

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
 
std::queue<int> data_queue; // 数据队列
std::mutex data_mutex; // 互斥锁
std::condition_variable data_cond; // 条件变量
 
// 生产数据函数
void producer() {
    for (int i = 1; i <= 10; ++i) {
        // 生产数据
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
        data_queue.push(i);
        std::cout << "Producer thread: produce data " << i << std::endl;
 
        // 唤醒消费线程
        data_cond.notify_one();
    }
}
 
// 消费数据函数
void consumer() {
    while (true) {
        // 等待数据
        std::unique_lock<std::mutex> lock(data_mutex);
        data_cond.wait(lock, [] { return !data_queue.empty(); });
 
        // 消费数据
        int data = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        std::cout << "Consumer thread: consume data " << data << std::endl;
 
        // 检查是否结束
        if (data == 10) {
            break;
        }
    }
}
 
int main() {
    std::thread t1(producer);
    std::thread t2(consumer);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

读写锁

成员方法：lock(), unlock(), lock_shared, unlock_shared

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#include <iostream>
#include <shared_mutex>
#include <thread>

std::shared_mutex sharedMtx;
int sharedData = 0;

void readData() {
    sharedMtx.lock_shared();
    // 执行读取操作
    std::cout << "Read shared data: " << sharedData << std::endl;
    sharedMtx.unlock_shared();
}

void writeData() {
    sharedMtx.lock();
    // 执行写入操作
    sharedData++;
    std::cout << "Write shared data: " << sharedData << std::endl;
    sharedMtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread readerThread1(readData);
    std::thread readerThread2(readData);
    std::thread writerThread(writeData);

    readerThread1.join();
    readerThread2.join();
    writerThread.join();

    return 0;
}

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <chrono>
#include <shared_mutex>
 
std::shared_mutex rw_lock; // 读写锁
int shared_var = 0; // 共享变量
 
// 写线程函数
void writer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 独占写锁
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock);
 
        // 写共享变量
        ++shared_var;
        std::cout << "Writer thread: write shared_var=" << shared_var << std::endl;
 
        // 等待一段时间
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}
 
// 读线程函数
void reader(int id) {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 共享读锁
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_lock);
 
        // 读共享变量
        int value = shared_var;
        std::cout << "Reader thread " << id << ": read shared_var=" << value << std::endl;
 
        // 等待一段时间
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}
 
int main() {
    std::thread t1(writer);
    std::thread t2(reader, 1);
    std::thread t3(reader, 2);
    std::thread t4(reader, 3);
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    t4.join();
    return 0;
}