[C++]C++多线程基础

Mon, 03 Apr 2017 13:58:53 +0800

各种锁的基本概念以及在C++里的使用，还有C的一个生产消费模型。

操作系统的知识

概念

临界区：访问和操作共享数据的代码段
避免死锁：嵌套加锁时按顺序加锁, 防止发生饥饿

原子操作：atomic_t

自旋锁

自旋锁：请求该锁的线程在等待时自旋（特别耗费处理器时间），所以只能轻量级加锁（一般锁的时间小于上下文切换的开销）。
注意：对数据而不是对代码加锁。

读写自旋锁：读时(允许读，不允许写)，写时（不允许读，不允许写）。
注意：不能把读锁升级为写锁，不然会死锁。读写操作要清晰地分开。

信号量

信号量：请求锁的进程在等待时加入等待队列并睡眠。一般用于长时间加锁（唤醒、睡眠、加入队列都是很大的开销）。
通过P/V或者down()/up()操作来控制允许同时进行的线程数。信号量减一就等同与获取一个锁，锁为负数时线程就会进入等待队列。
0/1信号量（互斥信号量）：只允许同时一个线程执行。
计数信号量：允许同时多个线程执行。
读写信号量：互斥信号量的一种。

互斥体

互斥体(mutex): 可以睡眠的强制互斥锁。比信号量更加首选。

mutex和自旋锁的区别：

需求	加锁方法
低开销加锁	优先自旋锁
短期加锁	优先自旋锁
长期加锁	优先mutex
中断上下文加锁	只能自旋锁
持有锁时需要睡眠	只能mutex

C++11 的线程库

std::thread

std::thread用于创建一个执行的线程实例，所以它是一切并发编程的基础，使用时需要包含头文件，它提供了很多基本的线程操作，例如get_id()来获取所创建线程的线程 ID，例如使用join()来加入一个线程等。

std::mutex, std::unique_lock, std::lock_guard

使用std::mutex创建互斥体，std::unique_lock上锁。由于C++保证了所有栈对象在声明周期结束时会被销毁，所以这样的代码是异常安全的。无论发生异常还是正常结束，都会自动调用unlock()。

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

std::mutex mtx;

void block_area() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    //...临界区
}
int main() {
    std::thread thd1(block_area);
    thd1.join();

    return 0;
}

C加锁示例：生产/消费模型

需求是两个进程维护一片共享内存，里面存十个产品（抽象为长度为10的一个循环队列）。生产者负责生产产品，注意队列满了就不能生产了，这时候进程陷入沉睡；消费者负责消费产品，消费完了队列的产品之后也要陷入沉睡。
Linux端代码如下：

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