C++多线程学习[四]：多线程的通信和同步、互斥锁、超时锁、共享锁

news2024/12/29 10:20:26

一、多线程的状态

初始化（Init）：该线程正在被创建。
就绪（Ready）：该线程在就绪列表中，等待CPU的调度。
运行（Running）：该线程正在运行。
阻塞（Blocked）：该线程被阻塞挂起。Blocked状态包括：pend（锁、事件、信号量等阻塞）、suspend（主动pend）、delay（延时阻塞）、pendtime（因为锁、事件、信号量时间等超时等待）。
退出（Exit）：该线程运行结束，等待父线程后收其控制块资源。

在这里插入图片描述

二、多线程之间的竞争关系和临界区

1、竞争关系（Race condition）

多个线程同时读写共享资源
例如：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<string>
using namespace std;
void Test()
{
	cout << "---------------" << endl;
	cout << "Test 1 " << endl;
	cout << "Test 2 " << endl;
	cout << "-----------------" << endl;
}

int main()
{
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		thread th(Test);
		th.detach();
	}
	getchar();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

我们创建了10个线程，但是每个线程在运行时都是无规律的，对于相同的输出都是处于竞争状态。

2、临界区（Critical Section）

我们使用C++ 11 自带的mutex（互斥锁）来解决竞争状态。
在这里插入图片描述
原理：
当n个线程要访问我们临界区时，只允许一个线程进入，其余线程会阻塞在临界区外，每当一个线程运行完临界区代码后，会允许阻塞在临界区外的一个线程再次访问临界区。

3、lock()和try_lock()区别

lock（）：**lock 函数用于获取互斥锁。**如果当前互斥锁已被其他线程占用，则 lock 函数将阻塞当前线程，直到互斥锁可用为止。一旦成功获取到互斥锁，该线程将独占互斥锁，并可以继续执行后续的操作。在完成互斥锁所需的操作后，线程应该调用 unlock 函数来释放互斥锁，以便其他线程可以获取它。阻塞式的，会一直等待直到成功获取到互斥锁。
try_lock（）：try_lock 函数用于尝试获取互斥锁，但是它并不会阻塞当前线程。如果当前互斥锁可用，try_lock 函数将立即获取到互斥锁，并返回 true。如果当前互斥锁被其他线程占用，try_lock 函数将立即返回 false，而不会阻塞线程。通过检查返回值，线程可以根据情况选择等待或放弃获取互斥锁。非阻塞式的，立即返回获取互斥锁的结果，线程可以根据返回值做出相应的处理。
例如：这里有10个线程，只有两个线程进入，而其它8个线程并不会阻塞住。
使用 lock 函数时要注意避免死锁的情况，而 try_lock 函数则可以更灵活地处理互斥锁的获取失败情况。

4、互斥锁的坑（线程抢占）

在这里插入图片描述
可以看到在这段代码中，本来1号线程运行完，执行unlock（）后，应该其他阻塞的线程应该进入代码内，但是发现进入的依旧是1号ID的线程。
原因：当我们执行完unlock（）后，因为代码执行速度就几微秒的时间，但是我们CPU调度探测一次得过一段时间，所以导致了这个问题。（也就是说我们执行的速度快于检测的速度，导致我们线程1号执行完后又再次进入循环，又把资源锁上了）
解决：只需要在unlock（）后面等待一段时间就可以，让我们CPU有充裕的时间来调度检测。在这里插入图片描述

三、互斥锁（mutex）

上面样例中设计到这里就不在过多描述

四、超时锁（timed_mutex）

在这里插入图片描述

超时锁可以让阻塞的线程不断尝试进入，如果超过等待时间，就会执行日志结果，可以帮助我们更好的检查线程状态，检查是否超时或者是否存在死锁。

五、可重入锁（recursive_mutex)

1.可重入锁可以解决哪类情况？

如果直接用互斥锁在这里插入图片描述
显然会直接报错，因为我们要进入下一个锁内需要先解除当前锁

显然是让人头疼麻烦的，我们必须每次得考虑解锁的时机。为了解决此类情况，我们有了可重入锁。

2.可重入锁。

在这里插入图片描述
功能如可以多重进入锁区域，要注意的是，进入几个锁就要在最后解除几个锁，这样才能让其他阻塞线程进入。

六、共享锁（shared_mutex）

C++ 14中引入了shared_timed_mutex;
C++ 17中引入了shared_mutex;

1、共享锁的功能

假设有6个线程同时要访问同一片区域数据，有5个线程要读数据，而有一个线程要写数据，那么共享锁可以让读线程的5个线程同时进行读，然后阻塞写数据的线程。当写线程进入时，阻塞5个读的线程，写线程开始写数据。这就是共享锁的基本作用。

2、代码

#include<iostream>
#include<thread>
#include<shared_mutex>
using namespace std;
shared_mutex smux;
int num;
void thread_read(int i)
{
	for (;;)
	{
	smux.lock_shared();
	cout << "num is :" <<num<< endl;
	this_thread::sleep_for(1000ms);
	smux.unlock_shared();
	this_thread::sleep_for(10ms);
	}
}
void thread_write(int i)
{
	for (;;)
	{
	smux.lock_shared();
	num++;
	cout << "add num" << endl;
	this_thread::sleep_for(1000ms);
	smux.unlock_shared();
	this_thread::sleep_for(10ms);
	}

}

int main()
{
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		thread th(thread_read,i + 1);
		this_thread::sleep_for(50ms);
		th.detach();
	}
	for (int i = 0; i < 2; i++)
	{
		thread th(thread_write, i + 1);
		this_thread::sleep_for(50ms);
		th.detach();
	}
	getchar();
	return 0;
}