C++锁详解-深圳市維司達科技有限公司

1. 锁的分类

锁的学习资料：并发支持库

1.1. 按照能否实现互斥量分类

互斥算法避免多个线程同时访问共享资源。这会避免数据竞争，并提供线程间的同步支持。

mutex，timed_mutex，recursive_mutex，recursive_timed_mutex，shared_mutex，shared_timed_mutex
counting_semaphore，binary_semaphore
atomic实现的自旋锁

1.2. 按照能否提供锁获取的超时时间分类

尝试锁定互斥，若互斥在指定的时限时期中不可用则返回。或，尝试锁定互斥，若直至抵达指定时间点互斥不可用则返回。

timed_mutex，recursive_timed_mutex，shared_timed_mutex
counting_semaphore，binary_semaphore

1.3. 按照能否实现条件变量分类

条件变量是允许多个线程相互交流的同步原语。它允许一定量的线程等待（可以定时）另一线程的提醒，然后再继续。条件变量始终关联到一个互斥。

condition_variable，condition_variable_any
binary_semaphore
atomic实现的等待锁

1.4. 按照能否获取锁的上锁状态分类

atomic实现的自旋锁
unique_lock（它不是一种锁，只是一种通用互斥管理器）

1.5. 按照锁能否共享分类

shared_mutex，shared_timed_mutex

1.6. 按照锁能否多次获取分类

连续在一个锁的作用域内多次获取同一把锁。

recursive_mutex，recursive_timed_mutex

2. 根据场景分析锁的选择

2.1. A和B同等竞争锁

模型1：

假设办公室有一台打印机供大家使用，办公室的员工竞争使用打印机。A和B都想使用打印机，A先到，则B和C需要等待A使用完在使用，此时B和C就站在打印机旁边等待着A用完，A用完之后释放打印机，B和C谁先抢到谁用。

分析：

在这种场景下，办公室的人员都有一样的优先级去使用打印机，一个人使用的时候另一个人必须等待，不能抢占。而且B和C比较傻，就等在打印机旁边等A用完，不先去工作（死等）。

锁选择：

能实现互斥量的锁都能满足这个要求：

mutex
counting_semaphore，binary_semaphore
atomic实现的自旋锁

模型2：

模型1中的问题就是，A在使用的时候B和C就傻傻等着，他们完全可以先去工作嘛（等待机制），等A使用完的时候在办公室说一声（通知机制），B和C再去抢嘛。

分析：

这种场景就涉及到了通知和等待机制，A是通知者，B和C是等待者，就需要能提供条件变量的锁。

锁选择：

condition_variable，condition_variable_any
binary_semaphore
atomic实现的等待锁

模型3：

针对模型1和模型2我们在生活中还可能遇见一种情况：我的打印任务比较紧急，领导急着用材料，此时我的首选是等着本办公室的打印机去打印（等着A用完），但是我不是一直等，而是等待一定时间后A如果还没用完，我就去楼下打印店打印了。因为我的打印任务虽然比较急（虽然急，但是我不能抢A的打印机，因为我们属于同等优先级），但是我又懒得跑腿，就先等一会，不行了我再去楼下打印店。

锁选择：

只要能提供锁获取的超时时间的都可以：

timed_mutex，recursive_timed_mutex，shared_timed_mutex
counting_semaphore，binary_semaphore

2.2. A需要等待B而B不需要等待A

模型4：

还是以打印机模型为例，不过引入一个领导来丰富我们的模型，即普通员工使用的时候需要看领导在不在使用打印机，领导在使用，我们就需要等领导使用完了再使用。而普通员工在使用的时候领导有更高优先级，可以直接来使用打印机，不管员工是否正在使用。

分析：

这种就是领导有更高优先级，即员工需要看领导状态，领导不需要看员工状态，属于单方面等待。

锁选择：

atomic实现的等待锁

2.3. A可被B抢占

模型5：

模型4的问题就是，领导来了不管员工有没有用打印机，领导就开始直接用。这样员工都没有退出正在打印任务的时间，两个人同时使用打印机，可能会造成数据混乱的问题。领导完全可以先来说一声我要用打印机了，你先退一下，等我用完了你在用。这样员工就有了优雅的退出打印的时机，退出完了，告诉领导一声我退出了，领导开始来打印，领导打印完了，员工接着来打印。

分析：

这种模型就需要领导先来告知一声（即把一个变量设置为true），然后领导等待员工退出（等待机制）。当员工收到告知时（检测到变量为true），就停止打印，并通知领导可以来用了（通知机制）。

锁选择：

一个标志变量 + 可实现条件变量的锁

2.4. A先于B发生

模型6：

这种模型就是B事件的发生依赖于A事件先发生。即，你想使用打印机之前，得先买台打印并安装好吧。

锁选择：

这种锁就需要能实现条件变量的锁，即当买打印机并安装打印机这个条件为真，你才可能去使用打印。

condition_variable，condition_variable_any
binary_semaphore
atomic实现的等待锁

2.5. A的发生需满足一定条件

模型7：

安装一台打印机需要满足一定的条件：经费审批，采购，选择合适的安装地点等。等这些条件都满足的时候你才能安装打印机。这种模型和模型6比较类似，不过模型5一般是一个条件满足后，B事件就能立马进行，而这种一般是需要满足多个条件后B事件才能进行。

锁选择：

这种锁就需要能实现条件变量的锁，不过要满足的条件更多，而不是一个条件：

condition_variable，condition_variable_any

2.6. 检测A的状态

模型8：

我不用打印机，我就看看打印机现在有没有人用，有人用我就去干别的事，没人用我也不一定用（想用就用，不想用就等会）。

锁选择：

这种模型就是简单的查询一下锁的状态，即打印机现在有没有被占用（占用即上锁）：

atomic实现的自旋锁
unique_lock（它不是一种锁，只是一种通用互斥管理器）

2.7. 共享A

模型9：

一台电视，大家可以多个人一起看，但是同一个时间只能有一个人换台。

锁选择：

这种模型就是读（看电视）可以共享，修改（换电视台）是互斥的。但是如果大家看这个台都津津有味，我不想看这个台，那我岂不是很不好意思换台？就可能会出现写被读饿死的情况。就是一直有读者来访问这个变量，我写者就无法进行。为了打破这种写被读饿死的问题，写的优先级比读高。即，我是这台电视的主人，我不管你们看的是否津津有味，我不想看这个台了，我就要换台。