C++多线程学习（二）：多线程通信和锁

参考引用

  • C++11 14 17 20 多线程从原理到线程池实战
  • 代码运行环境：Visual Studio 2019

1. 多线程状态

1.1 线程状态说明

  • 初始化 (lnit)：该线程正在被创建
  • 就绪 (Ready)：该线程在就绪列表中，等待 CPU 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)
  • 退出 (Exit)：该线程运行结束，等待父线程回收其控制块资源
    • 告诉操作系统把该线程相关资源释放，不包含堆中的资源释放

在这里插入图片描述

1.2 竞争状态和临界区

  • 竞争状态 (Race Condition)
    • 多线程同时读写共享数据
  • 临界区 (Critical Section)
    • 读写共享数据的代码片段（lock 和 unlock 之间的代码）

避免竞争状态策略，对临界区进行保护，同时只能有一个线程进入临界区

2. 互斥体和锁

2.1 互斥锁

  • thread_mutex.cpp
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>

using namespace std;

static mutex mux;

void TestThread() {
    for (;;)
    {	
        // 获取锁资源，如果没有则阻塞等待（一次只能有一个线程拿到锁）
        // 拿锁的原则：尽晚申请、尽早释放
        //mux.lock();           // 拿锁方式一 
        if (!mux.try_lock()) {  // 拿锁方式二：可以看到多个进程在竞争拿锁的情况
            cout << "." << flush;
            this_thread::sleep_for(100ms);
    
            continue;
        }
    
        // 业务代码
        cout << "=========" << endl;
        cout << "Test 001" << endl;
        cout << "Test 002" << endl;
        cout << "Test 003" << endl;
        cout << "=========" << endl;

        mux.unlock();  // 如果忘记释放锁，则会导致死锁，所有线程都在等待
        this_thread::sleep_for(1000ms);
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 同时创建 10 个线程
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        thread th(TestThread);
        th.detach();
    }
    
    getchar();
    
    return 0;
}

2.2 线程抢占不到资源

  • thread_mutex2.cpp
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>

using namespace std;

static mutex mux;

void ThreadMainMux(int i) {
    for (;;)
    {	
        mux.lock();
        cout << i << "[in]" << endl;
        this_thread::sleep_for(1000ms);
        mux.unlock();
        // 防止 unlock() 还未释放完全就进入下一个 lock()，导致其他线程拿不到锁
        this_thread::sleep_for(1ms);
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 同时创建 3 个线程
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        thread th(ThreadMainMux, i + 1);
        th.detach();
    }

    getchar();

    return 0;
}

2.3 超时锁 timed_mutex 应用

  • 可以记录锁的获取情况，多次超时，可以记录日志，获取错误情况，避免长时间死锁
  • timed_mutex.cpp
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>

using namespace std;

timed_mutex tmux;  // 支持超时的互斥锁

void ThreadMainTime(int i) {
    for (;;)
    {	
        if (!tmux.try_lock_for(chrono::milliseconds(500))) {
            cout << i << "[try_lock_for timeout]" << endl;
            continue;
        }
        cout << i << "[in]" << endl;
        this_thread::sleep_for(2000ms);
        tmux.unlock();
        // 防止 unlock() 还未释放完全就进入下一个 lock()，导致其他线程拿不到锁
        this_thread::sleep_for(1ms);
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    getchar();

    // 同时创建 3 个线程
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        thread th(ThreadMainTime, i + 1);
        th.detach();
    }

    getchar();

    return 0;
}

2.4 递归锁 recursive_mutex（可重入）

  • 同一个线程中的同一把锁可以锁多次，避免一些不必要的死锁
  • 组合业务：用到同一个锁
  • recursive_mutex.cpp
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>

using namespace std;

recursive_mutex rmux;  // 支持可重入的互斥锁

void Task1() {
    rmux.lock();
    cout << "task1 [in]" << endl;
    rmux.unlock();
}

void Task2() {
    rmux.lock();
    cout << "task2 [in]" << endl;
    rmux.unlock();
}

void ThreadMainRec(int i) {
    for (;;)
    {
        // 加锁几次对应的也要解锁几次
        rmux.lock();
        Task1();
        cout << i << "[in]" << endl;
        this_thread::sleep_for(2000ms);
        Task2();
        rmux.unlock();
        this_thread::sleep_for(1ms);
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 同时创建 3 个线程
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        thread th(ThreadMainRec, i + 1);
        th.detach();
    }
    
    getchar();
    
    return 0;
}

2.5 共享锁 shared_mutex（解决读写问题）

  • c++14 共享超时互斥锁 shared_timed_mutex
  • 如果只有写时需要互斥，读取时不需要，用普通的锁的话如何做
  • 按照如下代码，读取只能有一个线程进入，在很多业务场景中，没有充分利用 CPU 资源

在这里插入图片描述

  • shared_mutex.cpp
    #include <iostream>
#include <thread>
#include <string>
#include <mutex>
#include <shared_mutex>

using namespace std;

shared_timed_mutex stmux;  // 支持可重入的共享锁 C++14

// 读取线程
void ThreadRead(int i) {
    for (;;)
    {
        stmux.lock_shared();
        cout << i << " Read" << endl;
        this_thread::sleep_for(500ms);
        stmux.unlock_shared();

        this_thread::sleep_for(1ms);
    }
}

// 写入线程
void ThreadWrite(int i) {
    for (;;)
    {
        stmux.lock_shared();  // 只要没有锁定互斥锁，共享锁都是立即返回
        // 读取数据
        stmux.unlock_shared();

        // 互斥锁 写入（同时只能一个线程写入），共享锁和互斥锁都不能进入
        stmux.lock();  
        cout << i << " Write" << endl;
        this_thread::sleep_for(300ms);
        stmux.unlock();

        this_thread::sleep_for(1ms);
    }
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        thread th(ThreadWrite, i + 1);
        th.detach();
    }

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        thread th(ThreadRead, i + 1);
        th.detach();
    }

    getchar();

    return 0;
}

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