Linux C++并发编程中的锁机制

在Linux环境下使用C++进行并发编程时，锁机制是确保多个线程安全访问共享资源的关键。以下是一些常用的锁机制及其在C++中的实现方式：

1. 互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本的同步机制，用于保护临界区，确保同一时间只有一个线程可以访问。

C++11中的std::mutex

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx; // 全局互斥锁

void print_block(int n, char c) {
    mtx.lock(); // 加锁
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
    mtx.unlock(); // 解锁
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

C++11中的std::lock_guard

std::lock_guard是一个方便的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）风格的锁管理类，它在构造时加锁，在析构时自动解锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void print_block(int n, char c) {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx); // 自动加锁和解锁
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

2. 递归锁（Recursive Mutex）

递归锁允许同一个线程多次获取同一个锁而不会导致死锁。

C++11中的std::recursive_mutex

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::recursive_mutex mtx;

void print_block(int n, char c, int count = 0) {
    if (count >= 2) return; // 防止无限递归

    mtx.lock(); // 加锁
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " is printing block\n";
    print_block(n, c, count + 1); // 递归调用
    mtx.unlock(); // 解锁
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

3. 条件变量（Condition Variable）

条件变量用于线程间的等待和通知机制。

C++11中的std::condition_variable

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, []{ return ready; }); // 等待条件变量
    std::cout << "Thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all(); // 通知所有等待的线程
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads[i] = std::thread(print_id, i);
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    go();

    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

4. 读写锁（Read-Write Lock）

读写锁允许多个读线程同时访问共享资源，但写线程访问时会阻塞其他读线程和写线程。

C++17中的std::shared_mutex

#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>

std::shared_mutex rw_mtx;
int shared_data = 0;

void read_data(int id) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mtx); // 共享锁
    std::cout << "Reader " << id << " reads data: " << shared_data << '\n';
}

void write_data(int value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mtx); // 独占锁
    shared_data = value;
    std::cout << "Writer writes data: " << shared_data << '\n';
}

int main() {
    std::thread readers[5];
    std::thread writer(write_data, 42);

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        readers[i] = std::thread(read_data, i);
    }

    for (auto& th : readers) {
        th.join();
    }
    writer.join();

    return 0;
}

总结

在Linux环境下使用C++进行并发编程时，合理使用锁机制可以有效避免数据竞争和死锁问题。C++11及以后的版本提供了丰富的同步原语，如std::mutex、std::lock_guard、std::condition_variable和std::shared_mutex，这些工具可以帮助开发者更方便地实现线程安全的代码。