C++中的线程同步机制浅析

1. 为什么需要线程同步？

当多个线程并发访问共享数据（内存、文件、网络连接等）时，如果不进行任何同步控制，可能会引发一系列问题，最典型的是：

• 数据竞争：一个线程在读数据时，另一个线程在写数据，导致读到的数据是"脏的"、不完整的或逻辑错误的。
• 破坏不变量：对象在修改过程中，其内部状态可能暂时是不一致的（例如，修改一个链表时）。如果另一个线程在此时访问该对象，会看到这个破碎的状态，导致未定义行为。

线程同步的核心目的是：通过强制特定代码段的互斥访问或执行顺序，来保证多线程环境下程序行为的正确性和可预测性。

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2. C++标准库提供的同步机制

C++11在标准库中引入了 <thread> 和 <mutex> 等头文件，提供了丰富的同步原语。

2.1 互斥量 - 保证互斥访问

互斥量是最基础的同步工具，它确保同一时间只有一个线程可以进入被保护的代码段（临界区）。

a) std::mutex

最基本的互斥量，不可递归。

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

std::mutex g_mutex;
int shared_data = 0;

void increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        g_mutex.lock(); // 加锁
        ++shared_data;  // 临界区
        g_mutex.unlock(); // 解锁
    }
}

int main() {
    std::thread t1(increment);
    std::thread t2(increment);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Final value: " << shared_data << std::endl; // 一定是 200000
    return 0;
}

注意 ：直接使用 lock() 和 unlock() 是危险的，如果临界区代码抛出异常，可能导致互斥量无法解锁，引发死锁。永远优先使用RAII包装器。

b) std::lock_guard

最简单的RAII包装器，在构造时加锁，析构时自动解锁。

void safe_increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex); // 构造时加锁
        ++shared_data; // 临界区
    } // 作用域结束，lock析构，自动解锁
}

c) std::unique_lock

比 lock_guard 更灵活，但开销稍大。它允许延迟加锁、提前解锁、条件变量配合使用等。

void flexible_increment() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(g_mutex, std::defer_lock); // 延迟加锁
        // ... 一些不涉及共享数据的操作 ...
        lock.lock(); // 手动加锁
        ++shared_data;
        lock.unlock(); // 可以手动提前解锁
        // ... 其他操作 ...
    }
}

d) std::recursive_mutex

允许同一个线程多次获取同一个互斥量而不会死锁。用于可能递归调用或需要多次加锁的场景。应谨慎使用，通常表明设计可能有问题。

2.2 条件变量 - 线程间的通信与等待

条件变量允许线程阻塞等待某个条件成立，或在条件成立时通知其他线程。它必须与互斥量配合使用。

• std::condition_variable （推荐，通常更高效）
• std::condition_variable_any （可与任何满足基本互斥量概念的类型一起使用，但开销更大）

典型生产者-消费者模型：

#include <queue>
#include <condition_variable>

std::queue<int> g_queue;
std::mutex g_mutex;
std::condition_variable g_cv;
bool g_done = false;

void producer() {
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
        {
            std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
            g_queue.push(i);
            std::cout << "Produced: " << i << std::endl;
        }
        g_cv.notify_one(); // 通知一个等待的消费者
    }
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(g_mutex);
        g_done = true;
    }
    g_cv.notify_all(); // 通知所有消费者结束
}

void consumer(int id) {
    while (true) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(g_mutex);
        // 等待条件：队列不为空或生产结束
        g_cv.wait(lock, [] { return !g_queue.empty() || g_done; });

        // 被唤醒后，需要重新检查条件
        if (g_done && g_queue.empty()) {
            break;
        }

        // 消费数据
        int data = g_queue.front();
        g_queue.pop();
        lock.unlock(); // 尽早释放锁

        std::cout << "Consumer " << id << " consumed: " << data << std::endl;
    }
}

关键点：

• wait 操作会原子地释放互斥锁并使线程休眠。
• 被唤醒时，它会重新获取互斥锁，然后检查条件（使用提供的谓词）。必须使用循环或带谓词的wait来防止"虚假唤醒"。

2.3 信号量 - C++20

信号量是一个更底层的同步原语，它维护一个计数器，用于控制对特定数量资源的访问。

• std::counting_semaphore：允许至少 LeastMaxValue 个并发访问。
• std::binary_semaphore：是 std::counting_semaphore<1> 的别名，类似于互斥量，但可由不同线程进行锁和解锁。

#include <semaphore>

std::binary_semaphore smph(0); // 初始值为0

void waiter() {
    std::cout << "Waiting...\n";
    smph.acquire(); // 等待信号量值>0，然后减1
    std::cout << "Finished waiting!\n";
}

void notifier() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout << "Notifying...\n";
    smph.release(); // 信号量值加1，唤醒等待者
}

2.4 锁存器和屏障 - C++20

用于管理一组线程的同步点。

• std::latch ：一次性使用的倒计时门闩。线程在 arrive_and_wait 上阻塞，直到内部计数器减为0，所有阻塞线程被同时释放。不可重复使用。
• std::barrier：可重复使用的同步机制。它允许一组线程执行一系列阶段。在每个阶段，线程到达屏障并阻塞，直到所有线程都到达，然后所有线程被释放，屏障进入下一个阶段。

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3. 高级话题与底层原理

3.1 死锁与预防

死锁通常发生在两个或以上线程互相等待对方持有的资源时。

产生条件（四个必要条件）：

1. 互斥访问
2. 持有并等待
3. 不可剥夺
4. 循环等待

预防策略：

• 固定顺序上锁：所有线程都按照相同的全局顺序获取锁。

• 使用 std::lock 或 std::scoped_lock (C++17) ：一次性锁定多个互斥量，避免死锁。

  std::mutex mutex1, mutex2;
  void safe_lock() {
      // std::lock 使用死锁避免算法（如Dijkstra算法）来同时锁定多个互斥量
      std::lock(mutex1, mutex2);
      // 使用 std::adopt_lock 表示互斥量已被锁定，lock_guard只需接管所有权
      std::lock_guard<std::mutex> lock1(mutex1, std::adopt_lock);
      std::lock_guard<std::mutex> lock2(mutex2, std::adopt_lock);
      // ...
  }
  // C++17 更简洁的方式：
  void safer_lock() {
      std::scoped_lock lock(mutex1, mutex2); // 自动使用死锁避免算法
      // ...
  }

• 避免嵌套锁：如果可能，尽量只持有一个锁。

• 使用层次锁：为锁分配层级编号，只允许以编号递减的顺序获取锁。

3.2 性能考量

• 锁的粒度：锁保护的临界区应尽可能小。在临界区内不要进行耗时操作（如I/O）。
• 锁竞争 ：当多个线程频繁尝试获取同一个锁时，会发生激烈竞争，导致大量线程在用户态和内核态之间切换，严重降低性能。
  • 解决方案 ：使用无锁数据结构、减少共享数据、使用读写锁（std::shared_mutex）、或者将数据分区（每个线程处理自己的数据副本，最后再合并）。

3.3 内存模型与原子操作

同步机制的底层与C++内存模型紧密相关。

• std::atomic ：提供了无需互斥锁的线程安全访问。对于基本数据类型（如 int, bool, pointer），使用 std::atomic 通常比 mutex 效率更高，因为它直接在CPU指令级别保证操作的原子性。

  std::atomic<int> atomic_counter(0);
  void atomic_increment() {
      for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
          atomic_counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
      }
  }

• 内存序 ：std::memory_order 允许你控制原子操作周围的非原子内存访问的可见性顺序。这是为了在保证正确性的前提下，追求极致的性能。

  • memory_order_seq_cst（顺序一致性）：最强保证，默认选项，性能开销最大。
  • memory_order_acquire/memory_order_release/memory_order_acq_rel：用于实现"同步于"关系。
  • memory_order_relaxed：只保证原子性，不提供同步和顺序保证。

除非你是专家，否则请使用 std::atomic 的默认内存序（memory_order_seq_cst）。

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4. 总结与最佳实践

1. 优先使用RAII ：始终使用 std::lock_guard, std::unique_lock, std::scoped_lock，避免手动 lock/unlock。
2. 用互斥量保护数据，而非代码：清晰地知道哪些数据是共享的，并用最小的锁粒度来保护它。
3. 慎用递归锁：递归锁通常意味着糟糕的设计。
4. 使用条件变量进行事件等待 ：不要使用忙等待（while (!condition) {}），这会浪费CPU资源。
5. 警惕死锁 ：使用锁顺序、std::lock 等策略来预防。
6. 性能瓶颈在于锁竞争：优化方向是减少共享和缩小临界区，而非盲目追求"无锁"。无锁编程极其复杂且容易出错。
7. 简单场景用 atomic，复杂同步用 mutex ：对于简单的计数器或标志位，std::atomic 是更好的选择。对于复杂的对象或需要等待条件的情况，使用 mutex 和 condition_variable。
8. 理解工具适用场景 ：
   • mutex：互斥访问。
   • condition_variable：等待条件成立。
   • semaphore：控制资源池访问。
   • latch/barrier：多线程分阶段协同。

通过深入理解这些同步机制的原理、代价和适用场景，你才能写出既正确又高效的多线程C++程序。