筆者近期在工作之中編程實現(xiàn)一個Cache結(jié)構(gòu)的封裝，需要使用到C++之中的互斥量Mutex晤愧，于是花了一些時間進行了調(diào)研大莫。（結(jié)果對C++標準庫很是絕望....）最終還是通過利用了Boost庫的shared_mutex解決了問題。借這個機會來聊聊在C++之中的多線程編程的一些“坑”官份。

1.C++多線程編程的困擾

C++從11開始在標準庫之中引入了線程庫來進行多線程編程只厘，在之前的版本需要依托操作系統(tǒng)本身提供的線程庫來進行多線程的編程。（其實本身就是在標準庫之上對底層的操作系統(tǒng)多線程API統(tǒng)一進行了封裝舅巷，筆者本科時進行操作系統(tǒng)實驗是就是使用的pthread或<windows.h>來進行多線程編程的）
提供了統(tǒng)一的多線程固然是好事羔味，但是標準庫給的支持實在是有限，具體實踐起來還是讓人挺困擾的：

• C++本身的STL并不是線程安全的钠右。所以缺少了類似與Java并發(fā)庫所提供的一些高性能的線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)赋元。(Doug Lea大神親自操刀完成的并發(fā)編程庫，讓JDK5成為Java之中里程碑式的版本)
• 如果沒有線程安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，退而求其次搁凸，可以自己利用互斥量Mutex來實現(xiàn)媚值。C++的標準庫支持如下的互斥量的實現(xiàn)：

由上述表格可見，C++是從14之后的版本才正式支持共享互斥量护糖，也就是實現(xiàn)讀寫鎖的結(jié)構(gòu)褥芒。由于筆者的公司僅支持C++11的版本，所以就沒有辦法使用共享互斥量來實現(xiàn)讀寫鎖了嫡良。所以最終筆者只好求助與boost的庫锰扶，利用boost提供的讀寫鎖來完成了所需完成的工作。（所以對工具不足時可以考慮求助于boost庫皆刺，確實是解放生產(chǎn)力的大殺器少辣，C++的標準庫實在太簡陋了~~）

2.標準庫互斥量的剖析

雖然吐槽了一小節(jié)，但并不影響繼續(xù)去學習C++標準庫給我們提供的工具.........（但愿公司能再推動升級一波C++的版本～～不過看起來是遙遙無期了）接下來筆者就要來帶領(lǐng)大家簡單剖析一些C++標準庫之中互斥量羡蛾。

mutex

mutex的中文翻譯就是互斥量，很多人喜歡稱之其為鎖锨亏。其實不是太準確痴怨，因為多線程編程本質(zhì)上應該通過互斥量之上加鎖，解鎖的操作器予，來實現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行時對互斥資源線程安全的訪問浪藻。 我們來看看mutex類的使用方法：

long num = 0;
std::mutex num_mutex;

void numplus() {
    num_mutex.lock();
    for (long i = 0; i < 1000000; ++i) {
        num++;
    }
    num_mutex.unlock();
};

void numsub() {
    num_mutex.lock();
    for (long i = 0; i < 1000000; ++i) {
        num--;
    }
    num_mutex.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(numplus);
    std::thread t2(numsub);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << num << std::endl;
}

調(diào)用線程從成功調(diào)用lock()或try_lock()開始，到unlock()為止占有mutex對象乾翔。當存在某線程占有mutex時爱葵，所有其他線程若調(diào)用lock則會阻塞，而調(diào)用try_lockh會得到false返回值反浓。由上述代碼可以看到萌丈，通過mutex加鎖的方式，來確保只有單一線程對臨界區(qū)的資源進行操作雷则。
time_mutex與recursive_mutex的使用也是大同小異辆雾，兩者都是基于mutex來實現(xiàn)的。( 本質(zhì)上是基于recursive_mutex實現(xiàn)的月劈，mutex為recursive_mutex的特例)
time_mutex則是進行加鎖時可以設(shè)置阻塞的時間度迂，若超過對應時長，則返回false猜揪。
recursive_mutex則讓單一線程可以多次對同一互斥量加鎖惭墓，同樣，解鎖時也需要釋放相同多次的鎖而姐。
以上三種類型的互斥量都是包裝了操作系統(tǒng)底層的pthread_mutex_t:

pthread_mutex_t結(jié)構(gòu)

在C++之中并不提倡我們直接對鎖進行操作腊凶，因為在lock之后忘記調(diào)用unlock很容易造成死鎖。而對臨界資源進行操作時，可能會拋出異常吭狡，程序也有可能break尖殃，return 甚至 goto，這些情況都極容易導致unlock沒有被調(diào)用划煮。所以C++之中通過RAII來解決這個問題送丰，它提供了一系列的通用管理互斥量的類：

創(chuàng)建互斥量管理對象時，它試圖給給定mutex加鎖弛秋。當程序離開互斥量管理對象的作用域時器躏，互斥量管理對象會析構(gòu)并且并釋放mutex。所以我們則不需要擔心程序跳出或產(chǎn)生異常引發(fā)的死鎖了蟹略。
對于需要加鎖的代碼段登失，可以通過{}括起來形成一個作用域。比如上述代碼的栗子挖炬，可以進行如下改寫（推薦）：

long num = 0;
std::mutex num_mutex;

void numplus() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock_guard(num_mutex);
    for (long i = 0; i < 1000000; ++i) {
        num++;
    }
};
void numsub() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock_guard(num_mutex);
    for (long i = 0; i < 1000000; ++i) {
        num--;
    }
}

int main() {
    std::thread t1(numplus);
    std::thread t2(numsub);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << num << std::endl;
}

由上述代碼可以看到揽浙，代碼結(jié)構(gòu)變得更加明晰了，對于鎖的管理也交給了程序本身來進行處理意敛，減少了出錯的可能馅巷。

shared_mutex

C++14的版本之后提供了共享互斥量，它的區(qū)別就在于提供更加細粒度的加鎖操作：lock_shared草姻。lock_shared是一個獲取共享鎖的操作钓猬，而lock是一個獲取排他鎖的操作，通過這種方式更加細粒度化鎖的操作撩独。shared_mutex也是基于操作系統(tǒng)底層的讀寫鎖pthread_rwlock_t的封裝：

pthread_rwlock_t的結(jié)構(gòu)

這里有個事情挺奇怪的敞曹，C++14提供了shared_timed_mutex 而在C++17提供了shared_mutex。其實shared_timed_mutex涵蓋了shard_mutex的功能综膀。(不知道是不是因為名字被diss了澳迫，所以后續(xù)在C++17里將shared_mutex**加了回來)。共享互斥量適用與讀多寫少的場景僧须，舉個栗子：

long num = 0;
std::shared_mutex num_mutex;

// 僅有單個線程可以寫num的值纲刀。
void numplus() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock_guard(num_mutex);
    for (long i = 0; i < 1000000; ++i) {
        num++;
    }
};

// 多個線程同時讀num的值。
long numprint() {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock_guard(num_mutex);
    return num;
}

簡單來說：

• shared_lock是讀鎖担平。被鎖后仍允許其他線程執(zhí)行同樣被shared_lock的代碼
• unique_lock是寫鎖示绊。被鎖后不允許其他線程執(zhí)行被shared_lock或unique_lock的代碼。它可以同時限制unique_lock與share_lock

不得不說暂论，C++11沒有將共享互斥量集成進來面褐，在很多讀多寫少的應用場合之中，標準庫本身提供的鎖機制顯得很雞肋取胎，也從而導致了筆者最終只能求助與boost的解決方案展哭。(其實也可以通過標準庫的mutex來實現(xiàn)一個讀寫鎖湃窍，這也是面試筆試之中常常問到的問題。不過太麻煩了匪傍，還得考慮和互斥量管理類兼容什么的您市，果斷放棄啊)

多鎖競爭

還剩下最后一個要寫的內(nèi)容：scope_lock ，當我們要進行多個鎖管理時役衡，很容易出現(xiàn)問題茵休，由于加鎖的先后順序不同導致死鎖。(其實本來不想寫了手蝎，好累榕莺。這里就簡單用例子做解釋吧，偷個懶～～)
如下栗子棵介，加鎖順序不當導致死鎖：

std::mutex m1, m2;
// thread 1
{
  std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1);
  std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2);
}
// thread 2
{
  std::lock_guard<std::mutex> lock2(m2);
  std::lock_guard<std::mutex> lock1(m1);
}

而通過C++17提供的scope_lock就可以很簡單解決這個問題了：

std::mutex m1, m2;
// thread 1
{
  std::scope_lock lock(m1, m2);
}
// thread 2
{
  std::scope_lock lock(m1, m2);
}

好吧钉鸯，媽媽再也不用擔心我會死鎖了～～

3.小結(jié)

算是簡單的梳理完C++標準庫之中的mutex了，也通過一些栗子比較完整的展現(xiàn)了使用方式邮辽。筆者上述關(guān)于標準庫的內(nèi)容唠雕，在boost庫之中都能找到對應的實現(xiàn)，不過如果能夠使用標準庫逆巍，盡量還是不要引用boost了及塘。（走投無路的時候記得求助boost，真香～～）希望大家在實踐之中可以很好的運用好這些C++互斥量來更好的確保線程安全了锐极。后續(xù)筆者還會繼續(xù)深入的探討有關(guān)C++多線程的相關(guān)內(nèi)容，歡迎大家多多指教芳肌。