C++多线程与锁机制

当归. z Z2025-05-03 13:35

1. 基本多线程编程

1.1 创建线程

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <thread>

void thread_function() {
    std::cout << "Hello from thread!\n";
}

int main() {
    std::thread t(thread_function); // 创建并启动线程
    t.join(); // 等待线程结束
    return 0;
}

1.2 带参数的线程函数

cpp 复制代码 
#include <thread>
#include <iostream>

void print_num(int num) {
    std::cout << "Number: " << num << "\n";
}

int main() {
    std::thread t(print_num, 42);
    t.join();
    return 0;
}

1.3 join() 和 detach()

cpp 复制代码 
std::thread t(threadFunction);

// join() - 等待线程完成
t.join();

// detach() - 分离线程，线程独立运行
// t.detach();

// 检查线程是否可joinable
if (t.joinable()) {
    t.join();
}

1.4 获取当前线程信息

cpp 复制代码 
#include <thread>
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Main thread ID: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    
    std::thread t([](){
        std::cout << "Worker thread ID: " << std::this_thread::get_id() << std::endl;
    });
    
    t.join();
    return 0;
}

1.5 线程休眠

cpp 复制代码 
#include <chrono>
#include <thread>

int main() {
    std::cout << "Sleeping for 2 seconds..." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::cout << "Awake!" << std::endl;
    return 0;
}

2. mutex (互斥锁)

cpp 复制代码 
#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

std::mutex mtx; // 全局互斥锁
int shared_data = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        mtx.lock();   // 上锁
        ++shared_data;
        mtx.unlock(); // 解锁
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    std::cout << "Final value: " << shared_data << "\n";
    return 0;
}

2.1 lock_guard (自动管理锁)

lock_guard 在构造时自动上锁，在析构时自动解锁，防止忘记解锁

cpp 复制代码 
void increment_safe() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动上锁
        ++shared_data;
    } // 自动解锁
}

2.2 unique_lock

unique_lock 比 lock_guard 更灵活，可以手动上锁和解锁。

cpp 复制代码 
void increment_flexible() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        ++shared_data;
        lock.unlock(); // 可以手动解锁
        // 做一些不需要锁的操作
        lock.lock();   // 再手动上锁
        ++shared_data;
    }
}

2.3 尝试锁 try_lock()

cpp 复制代码 
void tryLockExample() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::try_to_lock);
    if (lock.owns_lock()) {
        // 成功获取锁
        std::cout << "Got the lock!\n";
    } else {
        // 未能获取锁
        std::cout << "Couldn't get the lock, doing something else...\n";
    }
}

2.4 递归互斥锁 std::recursive_mutex

cpp 复制代码 
#include <mutex>

std::recursive_mutex rec_mtx;

void recursiveFunction(int count) {
    std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(rec_mtx);
    if (count > 0) {
        std::cout << "Count: " << count << '\n';
        recursiveFunction(count - 1);
    }
}

int main() {
    std::thread t(recursiveFunction, 3);
    t.join();
    return 0;
}

2.5 定时互斥锁 std::timed_mutex

cpp 复制代码 
#include <mutex>
#include <chrono>

std::timed_mutex timed_mtx;

void timedLockExample() {
    auto timeout = std::chrono::milliseconds(100);
    
    if (timed_mtx.try_lock_for(timeout)) {
        // 在100ms内成功获取锁
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
        timed_mtx.unlock();
    } else {
        // 超时未能获取锁
        std::cout << "Could not get the lock within 100ms\n";
    }
}

2.6std::adopt_lock与std::defer_lock

特性 std::adopt_lock std::defer_lock
用途 表示锁已被当前线程获得 表示不立即获取锁
加锁时机 不尝试加锁（假设已锁定） 稍后手动加锁
典型使用场景 与 std::lock 配合使用 延迟加锁或条件加锁
可用性 适用于 lock_guard 和 unique_lock 仅适用于 unique_lock

**adopt_lock**表示当前线程已经获得了互斥锁的所有权，不需要再尝试加锁

cpp 复制代码 
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void function() {
    mtx.lock(); // 手动加锁
    
    // 使用 adopt_lock 告诉 lock_guard 我们已经拥有锁
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx, std::adopt_lock);
    
    // 临界区代码...
    // 离开作用域时自动解锁
}

3. 条件变量 (condition_variable)

用于线程间的同步，允许线程等待特定条件成立。

cpp 复制代码 
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <iostream>

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

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 等待ready变为true
    std::cout << "Worker is processing data\n";
}

int main() {
    std::thread t(worker);
    
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ready = true;
    }
    cv.notify_one(); // 通知等待的线程
    
    t.join();
    return 0;
}

3.1 wait

cpp 复制代码 
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock); // 无条件等待，可能虚假唤醒

带谓词的 wait()

cpp 复制代码 
cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 等价于:
// while (!ready) {
//     cv.wait(lock);
// }

wait_for() - 带超时等待

cpp 复制代码 
using namespace std::chrono_literals;
if (cv.wait_for(lock, 100ms, []{ return ready; })) {
    // 条件在超时前满足
} else {
    // 超时
}

wait_until() - 等待到指定时间点

cpp 复制代码 
auto timeout = std::chrono::steady_clock::now() + 100ms;
if (cv.wait_until(lock, timeout, []{ return ready; })) {
    // 条件在时间点前满足
} else {
    // 超时
}

3.2 notify

notify_one() - 通知一个等待线程

cpp 复制代码 
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
}
cv.notify_one(); // 只唤醒一个等待线程

notify_all() - 通知所有等待线程

cpp 复制代码 
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    ready = true;
}
cv.notify_all(); // 唤醒所有等待线程

3.3 生产消费者模式示例

cpp 复制代码 
#include <queue>
#include <chrono>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
std::queue<int> data_queue;
const int MAX_SIZE = 10;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, []{ return data_queue.size() < MAX_SIZE; });
        
        data_queue.push(i);
        std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
        
        lock.unlock();
        cv.notify_all();
        
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
}

void consumer() {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, []{ return !data_queue.empty(); });
        
        int data = data_queue.front();
        data_queue.pop();
        std::cout << "Consumed: " << data << std::endl;
        
        lock.unlock();
        cv.notify_all();
        
        if (data == 19) break; // 结束条件
    }
}

int main() {
    std::thread p(producer);
    std::thread c(consumer);
    
    p.join();
    c.join();
    
    return 0;
}

4. 原子操作 (atomic)

对于简单的数据类型，可以使用原子操作避免锁的开销。

cpp 复制代码 
#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

std::atomic<int> counter(0);

void increment_atomic() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        ++counter; // 原子操作，无需锁
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment_atomic);
    std::thread t2(increment_atomic);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    std::cout << "Counter: " << counter << "\n";
    return 0;
}

4.1 基本原子类型

cpp 复制代码 
#include <atomic>

std::atomic<int> atomicInt(0);      // 原子整数
std::atomic<bool> atomicBool(false); // 原子布尔值
std::atomic<long> atomicLong;       // 默认初始化为0

4.2 加载和存储

cpp 复制代码 
// 存储值
atomicInt.store(42);                // 原子存储
atomicInt = 42;                     // 等价写法

// 加载值
int value = atomicInt.load();       // 原子加载
value = atomicInt;                  // 等价写法

4.3 交换操作

cpp 复制代码 
int old = atomicInt.exchange(100);  // 原子交换为新值，返回旧值

4.4 读-修改-写操作

cpp 复制代码 
std::atomic<int> counter(0);

// 原子加法，返回旧值
int prev = counter.fetch_add(5);    // counter += 5，返回加前的值

// 原子减法
prev = counter.fetch_sub(3);       // counter -= 3，返回减前的值
cpp 复制代码 
std::atomic<int> flags(0);

flags.fetch_or(0x01);   // 原子按位或
flags.fetch_and(~0x01); // 原子按位与
flags.fetch_xor(0x03);  // 原子按位异或

4.5 比较交换 (CAS)

cpp 复制代码 
std::atomic<int> value(10);
int expected = 10;

// 比较并交换
bool success = value.compare_exchange_weak(expected, 20);
// 如果value == expected，则设置为20，返回true
// 否则将expected更新为当前value，返回false

// 强版本 (较少虚假失败)
success = value.compare_exchange_strong(expected, 30);

4.6 内存顺序 (Memory Order)

cpp 复制代码 
// 默认是最严格的内存顺序 (sequential consistency)
atomicInt.store(42, std::memory_order_seq_cst);

// 宽松内存顺序
atomicInt.store(42, std::memory_order_relaxed);

// 常见内存顺序:
// - memory_order_relaxed: 无顺序保证
// - memory_order_consume: 数据依赖顺序
// - memory_order_acquire: 读操作，防止上方读写重排
// - memory_order_release: 写操作，防止下方读写重排
// - memory_order_acq_rel: 读-修改-写操作
// - memory_order_seq_cst: 顺序一致性 (默认)

4.7 原子标志

cpp 复制代码 
std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT; // 必须这样初始化

// 测试并设置 (原子操作)
bool was_set = flag.test_and_set();

// 清除标志
flag.clear();

4.8 原子指针

cpp 复制代码 
class MyClass {};
MyClass* ptr = new MyClass();
std::atomic<MyClass*> atomicPtr(ptr);

// 原子指针操作
MyClass* old = atomicPtr.exchange(new MyClass());

// 比较交换指针
MyClass* expected = old;
atomicPtr.compare_exchange_strong(expected, nullptr);

4.9 自定义原子类型

cpp 复制代码 
struct Point { int x; int y; };
std::atomic<Point> atomicPoint{Point{1, 2}};

// 必须是可平凡复制的类型(trivially copyable)
static_assert(std::is_trivially_copyable<Point>::value, 
              "Point must be trivially copyable");
// 原子操作示例
Point old = atomicPoint.load();          // 原子读取
atomicPoint.store(Point{3, 4});         // 原子写入
Point newVal{5, 6};
Point expected{3, 4};
atomicPoint.compare_exchange_strong(expected, newVal); // CAS操作

std::atomic 对模板类型 T 的关键要求是：

  • 可平凡复制（Trivially Copyable） ：保证对象可以用 memcpy 方式安全复制

  • 无用户定义的拷贝控制（析构函数、拷贝/移动构造/赋值）

  • 标准布局（Standard Layout）

static_assert 在编译时验证这些条件，若不满足会立即报错（比运行时错误更安全）。

一个类型 T 是 平凡可复制（Trivially Copyable） 的，当且仅当满足以下所有条件：

  1. 没有用户定义的拷贝构造函数（T(const T&)）

  2. 没有用户定义的移动构造函数（T(T&&)）

  3. 没有用户定义的拷贝赋值运算符（T& operator=(const T&)）

  4. 没有用户定义的移动赋值运算符（T& operator=(T&&)）

  5. 有一个平凡的（隐式定义的或 =default）析构函数

  6. 所有非静态成员和基类也必须是平凡可复制的

  7. 不能有虚函数或虚基类

如果满足这些条件，编译器可以安全地使用 memcpy 来复制该类型的对象，而不会引发未定义行为（UB）。

5. 死锁预防

当多个线程需要多个锁时，可能产生死锁。预防方法：

  1. 总是以相同的顺序获取锁

  2. 使用 std::lock 同时锁定多个互斥量

cpp 复制代码 
std::mutex mtx1, mtx2;

void safe_lock() {
    // 同时锁定两个互斥量，避免死锁
    std::lock(mtx1, mtx2);
    std::lock_guard<std::mutex> lock1(mtx1, std::adopt_lock);
    std::lock_guard<std::mutex> lock2(mtx2, std::adopt_lock);
    // 安全地访问共享资源
}

6. 线程局部存储 (thread_local)

使用 thread_local 关键字声明线程局部变量，每个线程有自己的副本。

cpp 复制代码 
#include <thread>
#include <iostream>

thread_local int thread_specific_value = 0;

void thread_function(int id) {
    thread_specific_value = id;
    std::cout << "Thread " << id << ": " << thread_specific_value << "\n";
}

int main() {
    std::thread t1(thread_function, 1);
    std::thread t2(thread_function, 2);
    
    t1.join();
    t2.join();
    
    return 0;
}

7. 读写锁

读写锁是一种特殊的同步机制，允许多个读操作并发执行，但写操作必须独占访问。这种锁在"读多写少"的场景下能显著提高性能。

C++17 中的 std::shared_mutex

cpp 复制代码 
#include <shared_mutex>
#include <vector>

class ThreadSafeContainer {
private:
    std::vector<int> data;
    mutable std::shared_mutex mutex; // mutable 允许const方法加锁
    
public:
    // 读操作 - 使用共享锁
    int get(size_t index) const {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex);
        return data.at(index);
    }
    
    // 写操作 - 使用独占锁
    void set(size_t index, int value) {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex);
        data.at(index) = value;
    }
    
    // 批量读操作示例
    std::vector<int> getSnapshot() const {
        std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex);
        return data;
    }
};

读写锁特性

  1. 三种访问模式：

    • 共享读锁 (shared_lock)：多个线程可同时持有

    • 独占写锁 (unique_lock)：只有一个线程可持有

    • 升级锁 (C++14没有直接支持，需手动实现)

  2. 锁的优先级策略：

    • 读优先：容易导致写线程饥饿

    • 写优先：可能降低读并发度

    • 公平策略：折中方案

  3. 典型使用场景：

    • 配置信息的热更新

    • 缓存系统

    • 高频查询低频修改的数据结构

8. 自旋锁 (Spin Lock)

自旋锁是一种非阻塞锁，当线程无法获取锁时不会休眠，而是循环检查锁状态（忙等待）。适用于锁持有时间极短的场景。

基本自旋锁实现

cpp 复制代码 
#include <atomic>

class SpinLock {
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;
    
public:
    void lock() {
        while(flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
            // 可加入CPU暂停指令减少争用时的能耗
            #ifdef __x86_64__
            __builtin_ia32_pause();
            #endif
        }
    }
    
    void unlock() {
        flag.clear(std::memory_order_release);
    }
    
    bool try_lock() {
        return !flag.test_and_set(std::memory_order_acquire);
    }
};

TTAS + Backoff

cpp 复制代码 
class AdvancedSpinLock {
    std::atomic<bool> locked{false};
    
public:
    void lock() {
        bool expected = false;
        int backoff = 1;
        const int max_backoff = 64;
        
        while(!locked.compare_exchange_weak(expected, true, 
              std::memory_order_acquire, std::memory_order_relaxed)) {
            expected = false; // compare_exchange_weak会修改expected
            
            // 指数退避
            for(int i = 0; i < backoff; ++i) {
                #ifdef __x86_64__
                __builtin_ia32_pause();
                #endif
            }
            
            backoff = std::min(backoff * 2, max_backoff);
        }
    }
    
    void unlock() {
        locked.store(false, std::memory_order_release);
    }
};
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