C++ 互斥

mutex

mutex 类是能用于保护共享数据免受从多个线程同时访问的同步原语。

mutex 提供排他性非递归所有权语义：

• 调用方线程从它成功调用 lock 或 try_lock 开始，到它调用 unlock 为止占有 mutex 。
• 线程占有 mutex 时，所有其他线程若试图要求 mutex 的所有权，则将阻塞（对于 lock 的调用）或收到 false 返回值（对于 try_lock ）。
• 调用方线程在调用 lock 或 try_lock 前必须不占有 mutex 。
• 若 mutex 在仍为任何线程所占有时即被销毁，或在占有 mutex 时线程终止，则行为未定义。
• mutex 类满足互斥体 (Mutex) 和标准布局类型 (StandardLayoutType) 的全部要求。

std::mutex 既不可复制亦不可移动。

成员类型
	native_handle_type(可选)	实现定义
成员函数
	(构造函数)	构造互斥(公开成员函数)
	(析构函数) 	销毁互斥(公开成员函数)
	operator=[被删除]	不可复制赋值(公开成员函数)
锁定
	lock	锁定互斥，若互斥不可用则阻塞(公开成员函数)
	try_lock	尝试锁定互斥，若互斥不可用则返回(公开成员函数)
	unlock	解锁互斥(公开成员函数)
原生句柄
	native_handle	返回底层实现定义的原生句柄(公开成员函数)

注意：通常不直接使用 std::mutex ：std::unique_lock 、 std::lock_guard 或 std::scoped_lock (C++17 起)以更加异常安全的方式管理锁定。

recursive_mutex

recursive_mutex 类是同步原语，能用于保护共享数据免受从个多线程同时访问。

recursive_mutex 提供排他性递归所有权语义：

• 调用方线程在从它成功调用 lock 或 try_lock 开始的时期里占有 recursive_mutex 。此时期间，线程可以进行对 lock 或 try_lock 的附加调用。所有权的时期在线程调用 unlock 匹配次数时结束。
• 线程占有 recursive_mutex 时，若其他所有线程试图要求 recursive_mutex 的所有权，则它们将阻塞（对于调用 lock ）或收到 false 返回值（对于调用 try_lock ）。
• 可锁定 recursive_mutex 次数的最大值是未指定的，但抵达该数后，对 lock 的调用将抛出std::system_error 而对 try_lock 的调用将返回 false 。

若 recursive_mutex 在仍为某线程占有时被销毁，则程序行为未定义。 recursive_mutex 类满足互

斥体 (Mutex) 和标准布局类型 (StandardLayoutType) 的所有要求。

成员类型
	native_handle_type(可选)	实现定义
成员函数
	(构造函数)	构造互斥(公开成员函数)
	(析构函数)	销毁互斥(公开成员函数)
	operator=[被删除] 	不可复制赋值(公开成员函数)
锁定
	lock	锁定互斥，若互斥不可用则阻塞(公开成员函数)
	try_lock	尝试锁定互斥，若互斥不可用则返回(公开成员函数)
	unlock	解锁互斥(公开成员函数)
原生句柄
	native_handle	返回底层实现定义的原生句柄(公开成员函数)

//recursive_mutex 的使用场景之一是保护类中的共享状态，而类的成员函数可能相互调用

运行此代码
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

class X {
    std::recursive_mutex m;
    std::string shared;
  public:
    void fun1() {
      std::lock_guard<std::recursive_mutex> lk(m);
      shared = "fun1";
      std::cout << "in fun1, shared variable is now " << shared << '\n';
    }
    void fun2() {
      std::lock_guard<std::recursive_mutex> lk(m);
      shared = "fun2";
      std::cout << "in fun2, shared variable is now " << shared << '\n';
      fun1(); // 递归锁在此处变得有用
      std::cout << "back in fun2, shared variable is " << shared << '\n';
    };
};

int main()
{
    X x;
    std::thread t1(&X::fun1, &x);
    std::thread t2(&X::fun2, &x);
    t1.join();
    t2.join();
}

可能的输出：

in fun1, shared variable is now fun1
in fun2, shared variable is now fun2
in fun1, shared variable is now fun1
back in fun2, shared variable is fun1

shared_mutex

shared_mutex 类是一个同步原语，可用于保护共享数据不被多个线程同时访问。与便于独占访问的其他互斥类型不同，shared_mutex 拥有二个访问级别：

• 共享 - 多个线程能共享同一互斥的所有权。
• 独占性 - 仅一个线程能占有互斥。
• 若一个线程已获取独占性锁（通过 lock 、 try_lock ），则无其他线程能获取该锁（包括共享的）。

仅当任何线程均未获取独占性锁时，共享锁能被多个线程获取（通过 lock_shared 、 try_lock_shared ）。

在一个线程内，同一时刻只能获取一个锁（共享或独占性）。

共享互斥体在能由任何数量的线程同时读共享数据，但一个线程只能在无其他线程同时读写时写同一数据时特别有用。

shared_mutex 类满足共享互斥体 (SharedMutex) 和标准布局类型 (StandardLayoutType) 的所有要求。

成员类型
	native_handle_type(可选)	实现定义
成员函数
	(构造函数)	构造互斥(公开成员函数)
	(析构函数)	销毁互斥(公开成员函数)
	operator=[被删除]	不可复制赋值(公开成员函数)
排他性锁定
	lock	锁定互斥，若互斥不可用则阻塞(公开成员函数)
	try_lock	尝试锁定互斥，若互斥不可用则返回(公开成员函数)
	unlock	解锁互斥(公开成员函数)
共享锁定
	lock_shared	为共享所有权锁定互斥，若互斥不可用则阻塞(公开成员函数)
	try_lock_shared	尝试为共享所有权锁定互斥，若互斥不可用则返回(公开成员函数)
	unlock_shared	解锁互斥（共享所有权）(公开成员函数)
原生句柄
	native_handle	返回底层实现定义的原生句柄(公开成员函数)

#include <iostream>
#include <mutex>  // 对于 std::unique_lock
#include <shared_mutex>
#include <thread>

class ThreadSafeCounter {
 public:
  ThreadSafeCounter() = default;

  // 多个线程/读者能同时读计数器的值。
  unsigned int get() const {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    return value_;
  }

  // 只有一个线程/写者能增加/写线程的值。
  void increment() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_++;
  }

  // 只有一个线程/写者能重置/写线程的值。
  void reset() {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(mutex_);
    value_ = 0;
  }

 private:
  mutable std::shared_mutex mutex_;
  unsigned int value_ = 0;
};

int main() {
  ThreadSafeCounter counter;

  auto increment_and_print = [&counter]() {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
      counter.increment();
      std::cout << std::this_thread::get_id() << ' ' << counter.get() << '\n';

      // 注意：写入 std::cout 实际上也要由另一互斥同步。省略它以保持示例简洁。
    }
  };

  std::thread thread1(increment_and_print);
  std::thread thread2(increment_and_print);

  thread1.join();
  thread2.join();
}

// 解释：下列输出在单核机器上生成。 thread1 开始时，它首次进入循环并调用 increment() ，
// 随后调用 get() 。然而，在它能打印返回值到 std::cout 前，调度器将 thread1 置于休眠
// 并唤醒 thread2 ，它显然有足够时间一次运行全部三个循环迭代。再回到 thread1 ，它仍在首个
// 循环迭代中，它最终打印其局部的计数器副本的值，即 1 到 std::cout ，再运行剩下二个循环。
// 多核机器上，没有线程被置于休眠，且输出更可能为递增顺序。

可能的输出：

单核：
123084176803584 2
123084176803584 3
123084176803584 4
123084185655040 1
123084185655040 5
123084185655040 6
多核：
140623314495232 2
140623314495232 3
140623314495232 4
140623306102528 4
140623306102528 5
140623306102528 6