mutex

一个同步基元,也可用于进程间同步。
当创建一个应用程序类时,将同时创建一个系统范围内的命名的Mutex对象。这个互斥元在整个操作系统中都是可见的。当已经存在一个同名的互斥元时,构造函数将会输出一个布尔值。程序代码通过检测这个布尔值来判断指定的程序实例是否启动,如果已经存在同名互斥元的话,则显示一个对话框,告知用户应用程序已经启动,并退出应用程序。


  表现互斥现象的 数据结构 ,也被当作二元信号灯。一个互斥基本上是一个多任务敏感的二元信号,它能用作同步多任务的行为,它常用作保护从中断来的临界段代码并且在共享同步使用的资源。

Mutex主要用于有大量并发访问并存在cache过期的场合

在C++中,`std::mutex`是用于实现线程同步的核心工具之一,属于C++标准库中`<mutex>`头文件的一部分。它主要用于保护共享资源免受多个线程同时访问导致的数据竞争问题。以下是关于`std::mutex`的使用和实现细节的详细说明。 ### 使用方式 `std::mutex`的基本使用方法包括锁定(lock)和解锁(unlock)操作。常见的使用场景是保护一段代码,使其在同一时间只能被一个线程执行,这种代码段被称为**临界区**。 ```cpp #include <iostream> #include <thread> #include <mutex> std::mutex mtx; // 定义一个互斥锁 void print_block(int n, char c) { mtx.lock(); // 进入临界区前加锁 for (int i = 0; i < n; ++i) { std::cout << c; } std::cout << std::endl; mtx.unlock(); // 离开临界区后解锁 } int main() { std::thread th1(print_block, 50, '*'); std::thread th2(print_block, 50, '$'); th1.join(); th2.join(); return 0; } ``` 为了避免手动调用`lock`和`unlock`,可以使用`std::lock_guard`或`std::unique_lock`等RAII(资源获取即初始化)风格的类来自动管理锁的状态。例如: ```cpp #include <iostream> #include <thread> #include <mutex> std::mutex mtx; void print_block(int n, char c) { std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动加锁 for (int i = 0; i < n; ++i) { std::cout << c; } std::cout << std::endl; } // 自动解锁 int main() { std::thread th1(print_block, 50, '*'); std::thread th2(print_block, 50, '$'); th1.join(); th2.join(); return 0; } ``` ### 实现细节 `std::mutex`的实现依赖于底层操作系统提供的同步机制。在Windows系统中,`std::mutex`通常基于Windows API中的互斥对象(Mutex Object)实现,而在Linux系统中,它通常基于POSIX线程库(pthread)中的`pthread_mutex_t`结构体实现。这些底层机制提供了原子操作和线程调度的功能,确保了锁的正确性和高效性。 #### 锁的类型 1. **普通互斥锁(`std::mutex`)**:最基本的互斥锁类型,不支持递归锁定,也不支持尝试锁定。 2. **递归互斥锁(`std::recursive_mutex`)**:允许同一个线程多次获取同一把锁,每次获取锁后都需要相应地调用一次`unlock`才能释放锁。 3. **定时互斥锁(`std::timed_mutex`)**:支持尝试锁定并设置超时时间,适用于需要控制等待时间的场景。 4. **递归定时互斥锁(`std::recursive_timed_mutex`)**:结合了递归锁和定时锁的功能,允许同一个线程多次获取锁,并且支持尝试锁定并设置超时时间。 #### 锁的竞争与调度 当多个线程同时竞争一把锁时,操作系统会根据线程优先级和调度策略来决定哪个线程可以获得锁。通常情况下,操作系统会将等待锁的线程放入一个等待队列中,一旦锁被释放,操作系统会选择一个等待线程来获取锁。这个过程涉及到线程的上下文切换,可能会带来一定的性能开销。 为了减少锁竞争带来的性能问题,可以采取以下措施: - 尽量缩小临界区的范围,减少锁的持有时间。 - 使用无锁数据结构或原子操作来替代传统的互斥锁。 - 使用读写锁(`std::shared_mutex`)来区分读操作和写操作,允许多个读线程同时访问共享资源。 ### 锁的常见问题 1. **死锁**:当两个或多个线程互相等待对方持有的锁时,会导致死锁。为了避免死锁,可以采用以下策略: - 按照固定的顺序获取锁。 - 使用`std::lock`函数一次性获取多个锁。 - 设置锁的超时时间,避免无限期等待。 2. **活锁**:线程虽然没有被阻塞,但由于某些条件始终无法满足,导致线程不断重复相同的操作,无法继续执行。活锁通常发生在尝试避免死锁的过程中,例如线程不断释放锁并重新尝试获取锁。 3. **优先级反转**:低优先级线程持有锁时,高优先级线程被迫等待,导致系统整体性能下降。操作系统通常通过优先级继承或优先级天花板机制来解决这个问题。 ### 总结 `std::mutex`是C++中用于实现线程同步的重要工具,能够有效防止多个线程对共享资源的同时访问。通过合理使用`std::mutex`及其派生类型,结合RAII风格的锁管理类,可以编写出高效且安全的多线程程序。然而,使用互斥锁时需要注意死锁、活锁和优先级反转等问题,确保程序的健壮性和性能。
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