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C++线程中的几种锁

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

1. 互斥锁

互斥锁用于控制多线程对他们之间共享资源互斥访问的一个信号量。也就是说为了避免多个线程在某一时刻同时操作一个共享资源。例如线程池中的多个空闲线程和一个任务队列。任何时刻一个线程都要使用互斥锁互斥访问任务队列,以避免多个线程同时访问任务队列以发生错乱。

在某一时刻,只有一个线程可以获取互斥锁,在释放互斥锁之前其他线程都不能获取该互斥锁。如果其他线程想要获取这个互斥锁,那么这个线程只能以阻塞方式进行等待

 1 <pthread.h>
2
3 pthread_mutex_t, 4 5 pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * mutex, const phtread_mutexattr_t * mutexattr);//动态方式创建锁,相当于new动态创建一个对象 6 7 pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex)//释放互斥锁,相当于delete 8 9 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//以静态方式创建锁 10 11 pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)//以阻塞方式运行的。如果之前mutex被加锁了,那么程序会阻塞在这里。 12 13 pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) 14 15 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t * mutex);//会尝试对mutex加锁。如果mutex之前已经被锁定,返回非0,;如果mutex没有被锁定,则函数返回并锁定mutex 16 //该函数是以非阻塞方式运行了。也就是说如果mutex之前已经被锁定,函数会返回非0,程序继续往下执行。

 

2. 条件锁

条件锁就是所谓的条件变量,某一线程因为某个条件为满足时,可以使用条件变量使该程序处于阻塞状态。一旦条件满足以“信号量”方式唤醒一个因为该条件而被阻塞的线程。最为常见的就是在线程池中,起初没有任务时,任务队列为空,此时线程池中的线程因为“任务队列为空”这个条件处于阻塞状态。一旦有任务进来,就会以信号量的方式唤醒一个线程来处理这个任务。 这个过程中用到了条件变量pthread_conf_t。

 1 <pthread.h>
 2 
 3 pthread_cond_t
 4 
 5 pthread_cond_init(pthread_cond_t * condtion, const phtread_condattr_t * condattr);//对条件变量进行动态初始化,相当于new创建对象
 6 
 7 pthread_cond_destory(pthread_cond_t * condition);//释放动态申请的条件变量,相当于delete释放对象
 8 
 9 pthread_cond_t condition = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//静态初始化条件变量
10 
11 pthread_cond_wait(pthread_cond_t * cond, pthread_mutex_t * mutex);//该函数以阻塞方式执行。如果某个线程中的程序执行了该函数,那么这个线程就会以阻塞方式等待,直到收到pthread_cond_signal或者pthread_cond_broadcast函数发来的信号而被唤醒。
12 
13 注意:pthread_cond_wait函数的语义相当于:首先解锁互斥锁,然后以阻塞方式等待条件变量的信号,收到信号后又会对互斥锁加锁14 
15 为了防止“虚假唤醒”,该函数一般放在while循环体中。例如
16 
17  
18 
19  
20 pthread_mutex_lock(mutex);//加互斥锁
21  
22 while(条件不成立)//当前线程中条件变量不成立
23  
24 {
25  
26 pthread_cond_wait(cond, mutex);//解锁,其他线程使条件成立发送信号,加锁。
27  
28 }
29  
30 ...//对进程之间的共享资源进行操作
31  
32 pthread_mutex_unlock(mutex);//释放互斥锁
33 
34 pthread_cond_signal(pthread_cond_t * cond);//在另外一个线程中改变线程,条件满足发送信号。唤醒一个等待的线程(可能有多个线程处于阻塞状态),唤醒哪个线程由具体的线程调度策略决定
35 
36 pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t * cond);//以广播形式唤醒所有因为该条件变量而阻塞的所有线程,唤醒哪个线程由具体的线程调度策略决定
37 
38 pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t * cond, pthread_mutex_t * mutex, struct timespec * time);//以阻塞方式等待,如果时间time到了条件还没有满足还是会结束

 

3. 自旋锁

前面的两种锁是比较常见的锁,也比较容易理解。下面通过比较互斥锁和自旋锁原理的不同,这对于真正理解自旋锁有很大帮助。

假设我们有一个两个处理器core1和core2计算机,现在在这台计算机上运行的程序中有两个线程:T1和T2分别在处理器core1和core2上运行,两个线程之间共享着一个资源。

首先我们说明互斥锁的工作原理,互斥锁是是一种sleep-waiting的锁。假设线程T1获取互斥锁并且正在core1上运行时,此时线程T2也想要获取互斥锁(pthread_mutex_lock),但是由于T1正在使用互斥锁使得T2被阻塞。当T2处于阻塞状态时,T2被放入到等待队列中去,处理器core2会去处理其他任务而不必一直等待(忙等)。也就是说处理器不会因为线程阻塞而空闲着,它去处理其他事务去了。

而自旋锁就不同了,自旋锁是一种busy-waiting的锁。也就是说,如果T1正在使用自旋锁,而T2也去申请这个自旋锁,此时T2肯定得不到这个自旋锁。与互斥锁相反的是,此时运行T2的处理器core2会一直不断地循环检查锁是否可用(自旋锁请求),直到获取到这个自旋锁为止。

从“自旋锁”的名字也可以看出来,如果一个线程想要获取一个被使用的自旋锁,那么它会一致占用CPU请求这个自旋锁使得CPU不能去做其他的事情,直到获取这个锁为止,这就是“自旋”的含义。

当发生阻塞时,互斥锁可以让CPU去处理其他的任务;而自旋锁让CPU一直不断循环请求获取这个锁。通过两个含义的对比可以我们知道“自旋锁”是比较耗费CPU的。

<linux\spinlock.h>

spinlock_t

spin_lock_init(spinlock_t *x);    //初始化

spin_lock(x);   //只有在获得锁的情况下才返回,否则一直“自旋”

spin_is_locked(x)     //该宏用于判断自旋锁x是否已经被某执行单元保持(即被锁),如果是,返回真,否则返回假。

注意:自旋锁适合于短时间的的轻量级的加锁机制。

 

4. 读写锁

说到读写锁我们可以借助于“读者-写者”问题进行理解。首先我们简单说下“读者-写者”问题。

计算机中某些数据被多个进程共享,对数据库的操作有两种:一种是读操作,就是从数据库中读取数据不会修改数据库中内容;另一种就是写操作,写操作会修改数据库中存放的数据。因此可以得到我们允许在数据库上同时执行多个“读”操作,但是某一时刻只能在数据库上有一个“写”操作来更新数据。这就是一个简单的读者-写者模型。


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