c++ mutex 的包装类

mutex 的包装类

<mutex> 头文件中为我们提供了三种 mutex 包装类，分别是

• lock_guard，提供了基于作用域的互斥锁包装类
• unique_lock，提供了支持移动的互斥锁包装类
• scoped_lock，支持多个互斥锁同时上锁避免死锁的互斥锁包装类

lock_guard

示例

lock_guard 基本的用法如下：

void Speaking::speak_lock_guard() {
  std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
  speak_without_lock();
}

lock_guard 将所在的作用域视为临界区，由于 c++ 是块作用域，如果在一个函数中使用 lock_guard，则会将整个函数上锁，通常来说，为了只为临界区上锁，可以通过大括号构建出一个块作用域，如下：

void Speaking::speak_lock_guard() {
  std::cout << "not lock" << std::endl;
  {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(m);
    speak_without_lock();
  }
}

原理剖析

我们来看一下 lock_guard 的源码，其原理一目了然：

/** @brief A simple scoped lock type.
   *
   * A lock_guard controls mutex ownership within a scope, releasing
   * ownership in the destructor.
   */
  template<typename _Mutex>
    class lock_guard
    {
    public:
      typedef _Mutex mutex_type;

      explicit lock_guard(mutex_type& __m) : _M_device(__m)
      { _M_device.lock(); }

      lock_guard(mutex_type& __m, adopt_lock_t) noexcept : _M_device(__m)
      { } // calling thread owns mutex

      ~lock_guard()
      { _M_device.unlock(); }

      lock_guard(const lock_guard&) = delete;
      lock_guard& operator=(const lock_guard&) = delete;

    private:
      mutex_type&  _M_device;
    };

其原理十分简单，在构造时使用 mutex 上锁，在析构函数中将其释放，这样就达到了在作用域范围内上锁的功能。

unique_lock

unique_lock 提供了通用互斥包装器，允许延迟锁定、锁定的有时限尝试、递归锁定、所有权转移和与条件变量一同使用。unique_lock 和 lock_guard 最大的区别在于支持移动语义，可以将某个锁的所有权移动到其他 unique_lock。

除了提供 mutex 的相关方法，还提供其他的一些方法，用于操作和观察当前 mutex 的状态。

  // 修改器
  void swap(unique_lock& u) noexcept;       // 与另一 std::unique_lock 交换状态
  mutex_type* release() noexcept;           // 将关联互斥锁解关联而不解锁它

	// 观察器
  bool owns_lock() const noexcept;          // 测试锁是否占有其关联的互斥锁
  explicit operator bool () const noexcept; // 测试锁是否占有其关联的互斥锁
  mutex_type* mutex() const noexcept;       // 返回指向关联互斥锁的指针

原理剖析

我们来看一下移动语义是如何支持的：

explicit unique_lock(mutex_type& __m)
        : _M_device(std::__addressof(__m)), _M_owns(false) {
      lock();
      _M_owns = true;
    }

unique_lock(const unique_lock&) = delete;
unique_lock& operator=(const unique_lock&) = delete;

unique_lock(unique_lock&& __u) noexcept
      : _M_device(__u._M_device), _M_owns(__u._M_owns) {
  __u._M_device = 0;
  __u._M_owns = false;
}

unique_lock& operator=(unique_lock&& __u) noexcept {
  if (_M_owns) unlock();

  unique_lock(std::move(__u)).swap(*this);

  __u._M_device = 0;
  __u._M_owns = false;

  return *this;
}

private:
    mutex_type* _M_device;
    bool _M_owns;

首先 unique_lock 在构造时，将关联的互斥锁的指针存在_M_device 中，并直接上了锁。

unique_lock 的拷贝构造函数和赋值运算符都是不可用的

移动构造函数中，直接将传入的右值引用中的互斥锁指针和 own 标识存下，并将传入的右值引用中的数据清空

移动赋值运算符中，首先将自己的锁 unlock，然后使用右值引用重新赋值了自己。

scoped_lock

类 scoped_lock 是提供便利 RAII 风格机制的互斥包装器，它在作用域块的存在期间占有一或多个互斥。

创建 scoped_lock 对象时，它试图取得给定互斥的所有权。控制离开创建 scoped_lock 对象的作用域时，析构 scoped_lock 并以逆序释放互斥。若给出数个互斥，使用免死锁算法。

scoped_lock 类不可复制。

示例

我们在构造时直接传入两个 mutex 对象，这样就会在 scoped_lock 的构造器中对两个锁同时进行上锁，当退出这个函数时，scoped_lock 被销毁，析构函数中会对这两个锁进行解锁。

void Speaking::speak_with_two_lock() 
{
  std::scoped_lock<std::mutex, std::mutex> scoped(m, m1);
  speak_without_lock();
}

原理剖析

我们来看看 scoped_lock 是如何实现构造时对多个锁进行上锁，析构时对多个锁进行解锁的。

    template<typename... _MutexTypes>
    class scoped_lock
    {
    public:
      explicit scoped_lock(_MutexTypes&... __m) : _M_devices(std::tie(__m...))
      { std::lock(__m...); }

      explicit scoped_lock(adopt_lock_t, _MutexTypes&... __m) noexcept
      : _M_devices(std::tie(__m...))
      { } // calling thread owns mutex

      ~scoped_lock()
      { std::apply([](auto&... __m) { (__m.unlock(), ...); }, _M_devices); }

      scoped_lock(const scoped_lock&) = delete;
      scoped_lock& operator=(const scoped_lock&) = delete;

    private:
      tuple<_MutexTypes&...> _M_devices;
    };

• 构造：当 scoped_lock 在构造时，首先将传入的参数的引用包裹为 tuple 保存到成员变量中，然后调用 std::lock 方法对多个互斥对象进行上锁，会采用死锁避免算法对其上锁，保证不会由于多个锁上锁顺序问题导致死锁。

• 析构：在析构函数中，使用折叠表达式将传入的参数包调用 unlock 函数
  析构函数中定义了一个 lambda 表达式，它的参数是一个可变模板参数包，即 [](auto&... __m){ } 可以传入多个参数。在 lambda 表达式中，使用的折叠表达式去处理不定参数。折叠表达式是 C++17 中引入的，有四种形式，分别是：

  (... op x)
  (x op ...)
  (init op ... x)
  (x ... op init)
  

  其中，x 是不定参数，init 是个可以额外加入表达式的初始值，op 表示操作符，最终展开后如下：

  (x[1] op (... op (x[N-1] op x[N])))
  

  op 支持以下操作符：+ - * / % ^ & | = < > << >> += -= = /= %= ^= &= |= <<= >>= == != <= >= && || , . ->*。在二元折叠中，两个 op 必须相同

  小结

  本节分析了 c++ 中提供的几个互斥锁的包装类的用法和原理，希望大家在使用互斥锁进行分析时尽量不要使用 mutex 类进行上锁解锁操作，而是使用合适的包装类去解决问题。