C++中unique_lock和lock_guard区别

目录

1.自动锁定与解锁机制

2.灵活性

3.所有权转移

4.可与条件变量配合使用

5.性能开销

---

在 C++ 中，std::unique_lock 和 std::lock_guard 都属于标准库 <mutex> 中的互斥锁管理工具，用于简化互斥锁的使用并确保线程安全。但它们存在一些显著区别，下面为你详细介绍：

1.自动锁定与解锁机制

1) std::lock_guard ：一个轻量级的互斥锁包装器，采用了 RAII（资源获取即初始化）技术。当 std::lock_guard 对象被创建时，它会自动锁定所关联的互斥锁；当对象离开其作用域时，会自动解锁该互斥锁。它的设计遵循最小化原则，仅提供最基本的锁管理功能，没有额外的开销。其核心实现原理可以简化为：

template<classMutex>
classlock_guard {
public:
    explicitlock_guard(Mutex& m) : mutex(m) {
        mutex.lock();
    }
    
    ~lock_guard() {
        mutex.unlock();
    }
    
    lock_guard(const lock_guard&) = delete;
    lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;

private:
    Mutex& mutex;
};

示例代码如下：

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

std::mutex mtx;

void printMessage() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    std::cout << "This message is protected by lock_guard." << std::endl;
    // 当 lock_guard 对象离开作用域时，互斥锁会自动解锁
}

int main() {
    std::thread t(printMessage);
    t.join();
    return 0;
}

2) std::unique_lock ： 同样基于 RAII 技术，在对象销毁时会自动解锁互斥锁。不过，它的锁定和解锁操作更加灵活，可以在对象创建时选择不立即锁定互斥锁，也可以在对象生命周期内手动锁定和解锁。unique_lock 是 C++11 标准中引入的更高级的锁管理器，设计目标是提供更灵活的锁管理能力。其核心接口包括：

class unique_lock {
public:
    // 构造时可选立即加锁、延迟加锁或尝试加锁
    unique_lock(mutex_type& m, std::defer_lock_t) noexcept;
    unique_lock(mutex_type& m, std::try_to_lock_t);
    unique_lock(mutex_type& m, std::adopt_lock_t);
    
    // 转移构造函数
    unique_lock(unique_lock&& other) noexcept;
    
    // 手动控制接口
    voidlock();
    booltry_lock();
    voidunlock();
    
    // 状态查询
    explicitoperatorbool()constnoexcept;
    boolowns_lock()constnoexcept;
};

示例代码如下：

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

std::mutex mtx;

void printMessage() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock);
    // 手动锁定互斥锁
    lock.lock();
    std::cout << "This message is protected by unique_lock." << std::endl;
    // 手动解锁互斥锁
    lock.unlock();
}

int main() {
    std::thread t(printMessage);
    t.join();
    return 0;
}

std::unique_lock 允许在对象生命周期内多次手动调用 lock()、unlock() 和 try_lock() 方法。这在需要在临界区内进行部分操作后暂时释放锁，执行一些非关键操作，然后再次锁定的场景中很有用。如：

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

std::mutex mtx;

void work() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    std::cout << "Entered critical section." << std::endl;
    // 执行部分临界区操作
    lock.unlock();
    std::cout << "Temporarily released the lock." << std::endl;
    // 执行一些非关键操作
    lock.lock();
    std::cout << "Re - entered critical section." << std::endl;
    // 继续执行临界区操作
}

int main() {
    std::thread t(work);
    t.join();
    return 0;
}

2.灵活性

1）std::lock_guard: 功能相对单一，缺乏灵活性。一旦创建，就会立即锁定互斥锁，并且在其生命周期内无法手动解锁，只能在对象离开作用域时自动解锁。

2）****std::unique_lock：****具有更高的灵活性。它支持三种锁定策略：

std::defer_lock_t   // 延迟锁定
std::try_to_lock_t  // 尝试锁定
std::adopt_lock_t   // 接管已锁定状态

• 延迟锁定（std::defer_lock） ：创建 std::unique_lock 对象时，可以选择不立即锁定互斥锁。这在需要先进行一些准备工作，之后再锁定互斥锁的场景中非常有用。如：

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

std::mutex mtx;

void work() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock);
    // 进行一些无需加锁的准备工作
    std::cout << "Doing some preparation work..." << std::endl;
    lock.lock();
    std::cout << "Critical section entered." << std::endl;
    // 临界区代码
    lock.unlock();
    std::cout << "Critical section exited." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(work);
    t.join();
    return 0;
}

• 尝试锁定（std::try_to_lock） ：使用 std::try_to_lock 可以尝试锁定互斥锁，如果互斥锁当前已被其他线程锁定，std::unique_lock 对象不会阻塞，而是立即返回，可通过 owns_lock() 方法判断是否成功锁定。如：

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

std::mutex mtx;

void work() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::try_to_lock);
    if (lock.owns_lock()) {
        std::cout << "Successfully locked the mutex." << std::endl;
        // 临界区代码
    } else {
        std::cout << "Failed to lock the mutex, doing other work." << std::endl;
        // 执行其他不需要锁定互斥锁的工作
    }
}

int main() {
    std::thread t(work);
    t.join();
    return 0;
}

3.所有权转移

• std::lock_guard ：
  • 不支持所有权转移，即不能将一个 std::lock_guard 对象的互斥锁所有权转移给另一个对象。
• std::unique_lock ：
  • 支持所有权转移，可以通过移动构造函数或移动赋值运算符将互斥锁的所有权从一个 std::unique_lock 对象转移到另一个对象。这在函数返回 std::unique_lock 对象或需要在不同作用域之间传递锁的所有权时非常有用。
  • 示例代码如下：

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

std::mutex mtx;

std::unique_lock<std::mutex> getLock() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    return std::move(lock);
}

void printMessage() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock = getLock();
    std::cout << "This message is protected by transferred unique_lock." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(printMessage);
    t.join();
    return 0;
}

4.可与条件变量配合使用

std::unique_lock 能够与 std::condition_variable 一起使用，std::condition_variable 的 wait()、wait_for() 和 wait_until() 等方法要求传入 std::unique_lock 对象，因为在等待期间需要释放和重新获取锁。

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

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; });
    std::cout << "Worker thread is working." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(worker);
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one();
    t.join();
    return 0;
}

5.性能开销

• std::lock_guard ：
  • 由于其功能简单，没有额外的状态管理，因此性能开销相对较小，适合用于简单的锁定场景。
• std::unique_lock ：
  • 为了支持更多的灵活性，std::unique_lock 需要维护更多的状态信息，因此性能开销相对较大。在对性能要求极高且锁定逻辑简单的场景下，使用 std::lock_guard 更为合适。

综上所述，std::lock_guard 适用于简单的锁定场景，追求简洁性和较低的性能开销；而 std::unique_lock 则适用于需要更复杂锁定逻辑、支持所有权转移的场景，但会带来一定的性能开销。

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