c++并发编程之互斥锁（mutex）的使用方法

1. 多个线程访问同一资源时，为了保证数据的一致性，最简单的方式就是使用 mutex（互斥锁）。

引用 cppreference 的介绍：

The mutex class is a synchronization primitive that can be used to protect shared data from being simultaneously accessed by multiple threads.

　

方法1：直接操作 mutex，即直接调用 mutex 的 lock / unlock 函数
此例顺带使用了 boost::thread_group 来创建一组线程。

#include <iostream>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/thread.hpp>

boost::mutex mutex;
int count = 0;

void Counter() {
  mutex.lock();

  int i = ++count;
  std::cout << "count == " << i << std::endl;

  // 前面代码如有异常，unlock 就调不到了。
  mutex.unlock();
}

int main() {
  // 创建一组线程。
  boost::thread_group threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.create_thread(&Counter);
  }

  // 等待所有线程结束。
  threads.join_all();
  return 0;
}

方法2：使用 lock_guard 自动加锁、解锁。原理是 RAII，和智能指针类似

#include <iostream>
#include <boost/thread/lock_guard.hpp>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/thread.hpp>

boost::mutex mutex;
int count = 0;

void Counter() {
  // lock_guard 在构造函数里加锁，在析构函数里解锁。
  boost::lock_guard<boost::mutex> lock(mutex);

  int i = ++count;
  std::cout << "count == " << i << std::endl;
}

int main() {
  boost::thread_group threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.create_thread(&Counter);
  }

  threads.join_all();
  return 0;
}

方法3：使用 unique_lock 自动加锁、解锁
unique_lock 与 lock_guard 原理相同，但是提供了更多功能（比如可以结合条件变量使用）。
注意：mutex::scoped_lock 其实就是 unique_lock<mutex> 的 typedef。

#include <iostream>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/thread.hpp>

boost::mutex mutex;
int count = 0;

void Counter() {
  boost::unique_lock<boost::mutex> lock(mutex);

  int i = ++count;
  std::cout << "count == " << i << std::endl;
}

int main() {
  boost::thread_group threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.create_thread(&Counter);
  }

  threads.join_all();
  return 0;
}

方法4：为输出流使用单独的 mutex
这么做是因为 IO 流并不是线程安全的！
如果不对 IO 进行同步，此例的输出很可能变成：

count == count == 2count == 41
count == 3

因为在下面这条输出语句中：

std::cout << "count == " << i << std::endl;

输出 "count == " 和 i 这两个动作不是原子性的（atomic），可能被其他线程打断。

#include <iostream>
#include <boost/thread/mutex.hpp>
#include <boost/thread/thread.hpp>
#include <boost/thread/lock_guard.hpp>

boost::mutex mutex;
boost::mutex io_mutex;
int count = 0;

void Counter() {
  int i;
  {
    boost::unique_lock<boost::mutex> lock(mutex);
    i = ++count;
  }

  {
    boost::unique_lock<boost::mutex> lock(io_mutex);
    std::cout << "count == " << i << std::endl;
  }
}

int main() {
  boost::thread_group threads;
  for (int i = 0; i < 4; ++i) {
    threads.create_thread(&Counter);
  }

  threads.join_all();
  return 0;
}

2. 保护共享数据的替代设施

2.1 保护共享数据的初始化过程

丑陋的代码：

void undefined_behaviour_with_double_checked_locking()
{
    if(!resource_ptr) // 1
    {
       std::lock_guard<std::mutex> lk(resource_mutex);
        if(!resource_ptr) // 2
        {
        　　resource_ptr.reset(new some_resource); // 3
        }
    }
    resource_ptr->do_something(); // 4
}    

这个模式为什么声名狼藉呢？因为这里有潜在的条件竞争，因为外部的读取锁①没有与内部的
写入锁进行同步③。因此就会产生条件竞争，这个条件竞争不仅覆盖指针本身，还会影响到其
指向的对象；即使一个线程知道另一个线程完成对指针进行写入，它可能没有看到新创建的
some_resource实例，然后调用do_something()④后，得到不正确的结果。

C++标准库提供了 std::once_flag 和 std::call_once 来处理这种情况。比起锁住互斥量，并显式的检查指

针，每个线程只需要使用 std::call_once ，在 std::call_once 的结束时，就能安全的知道指
针已经被其他的线程初始化了。使用 std::call_once 比显式使用互斥量消耗的资源更少，特
别是当初始化完成后。

std::shared_ptr<some_resource> resource_ptr;
std::once_flag resource_flag; // 1
void init_resource()
{
resource_ptr.reset(new some_resource);
}
void foo()
{
std::call_once(resource_flag,init_resource); // 可以完整的进行一次初始化
resource_ptr->do_something();
}

2.2 保护很少更新的数据结构

虽然更新频度很低，但更新也是有可能发生的，并且当这个可缓存被多个线程访问，这个缓
存就需要适当的保护措施，来对其处于更新状态时进行保护，也为了确保线程读到缓存中的
有效数据。

使用一
个 std::mutex 来保护数据结构，这的确有些反应过度，因为在没有发生修改时，它将削减并
发读取数据的可能性；这里需要另一种不同的互斥量。这种新的互斥量常被称为“读者-写者
锁”（reader-writer mutex），因为其允许两中不同的使用方式：一个“作者”线程独占访问和共
享访问，让多个“读者”线程并发访问。

新的C++标准库应该不提供这样的互斥量，Boost库提供了boost::shared_mutex。

3.3 嵌套锁

C++标准库提供了 std::recursive_mutex 类。其功能与 std::mutex 类似，除了你可以从
同一线程的单个实例上获取多个锁。在互斥量锁住其他线程前，你必须释放你拥有的所有
锁，所以当你调用lock()三次时，你也必须调用unlock()三次。正确使
用 std::lock_guard<std::recursive_mutex> 和 std::unique_lock<std::recursice_mutex> 可以帮
你处理这些问题。