C++11中的mutex, lock, condition variable实现分析

本文分析的是llvm libc++的实现:http://libcxx.llvm.org/

C++11中的各种mutex, lock对象,实际上都是对posix的mutex,condition的封装。不过里面也有很多细节值得学习。

std::mutex

先来看下std::mutex:

包增了一个pthread_mutex_t __m_,很简单,每个函数该干嘛就干嘛。

三种锁状态:std::defer_lock, std::try_to_lock, std::adopt_lock

这三个是用于标识锁在传递到一些包装类时,锁的状态:
std::defer_lock,还没有获取到锁
std::try_to_lock,在包装类构造时,尝试去获取锁
std::adopt_lock,调用者已经获得了锁
这三个东东,实际上是用于偏特化的,是三个空的struct:
在下面的代码里,就可以看到这三个东东是怎么用的了。

std::lock_guard

这个类比较重要,因为我们真正使用lock的时候,大部分都是要用这个。

这个类其实很简单:

在构造函数里调用 mutext.lock(),
在释构函数里,调用了mutex.unlock() 函数。

因为C++会在函数抛出异常时,自动调用作用域内的变量的析构函数,所以使用std::lock_guard可以在异常时自动释放锁,这就是为什么要避免直接使用mutex的函数,而是要用std::lock_guard的原因了。

注意,std::lock_guard的两个构造函数,当只传递mutex时,会在构造函数时调用mutext.lock()来获得锁。

当传递了adopt_lock_t时,说明调用者已经拿到了锁,所以不再尝试去获得锁。

std::unique_lock

unique_lock实际上也是一个包装类,起名为unique可能是和std::lock函数区分用的。
注意,多了一个owns_lock函数和release()函数,这两个在std::lock函数会用到。

owns_lock函数用于判断是否拥有锁;

release()函数则放弃了对锁的关联,当析构时,不会去unlock锁。
再看下unique_lock的实现,可以发现,上面的三种类型就是用来做偏特化用的

std::lock和std::try_lock函数

上面的都是类对象,这两个是函数。

std::lock和std::try_lock函数用于在同时使用多个锁时,防止死锁。这个实际上很重要的,因为手写代码来处理多个锁的同步问题,很容易出错。

要注意的是std::try_lock函数的返回值:

当成功时,返回-1;

当失败时,返回第几个锁没有获取成功,以0开始计数;

首先来看下只有两个锁的情况,代码虽然看起来比较简单,但里面却有大文章:

上面的lock函数用尝试的办法防止了死锁。

上面是两个锁的情况,那么在多个参数的情况下呢?

先来看下std::try_lock函数的实现:

里面递归地调用了try_lock函数自身,如果全部锁都获取成功,则依次把所有的unique_lock都release掉。

如果有失败,则计数失败的次数,最终返回。

再来看多参数的std::lock的实现:

可以看到多参数的std::lock的实现是:

先获取一个锁,然后再调用std::try_lock去获取剩下的锁,如果失败了,则下次先获取上次失败的锁。

重复上面的过程,直到成功获取到所有的锁。

上面的算法用比较巧妙的方式实现了参数的轮转。

std::timed_mutex

std::timed_mutex   是里面封装了mutex和condition,这样就两个函数可以用:
try_lock_for
try_lock_until

实际上是posix的mutex和condition的包装。

std::recursive_mutex和std::recursive_timed_mutex

这两个实际上是std::mutex和std::timed_mutex 的recursive模式的实现,即锁得获得者可以重复多次调用lock()函数。

和posix mutex里的recursive mutex是一样的。

看下std::recursive_mutex的构造函数就知道了。

std::cv_status

这个用来表示condition等待返回的状态的,和上面的三个表示lock的状态的用途差不多。

std::condition_variable

包装了posix condition variable。

里面的函数都是符合直觉的实现,值得注意的是:
cv_status是通过判断时间而确定的,如果超时的则返回cv_status::timeout,如果没有超时,则返回cv_status::no_timeout。

condition_variable::wait_until函数可以传入一个predicate,即一个用户自定义的判断是否符合条件的函数。这个也是很常见的模板编程的方法了。

std::condition_variable_any

std::condition_variable_any的接口和std::condition_variable一样,不同的是std::condition_variable只能使用std::unique_lock,而std::condition_variable_any可以使用任何的锁对象。

下面来看下为什么std::condition_variable_any可以使用任意的锁对象。

可以看到,在std::condition_variable_any里,用shared_ptr  __mut_来包装了mutex。所以一切都明白了,回顾std::unique_lock,它包装了mutex,当析构时自动释放mutex。在std::condition_variable_any里,这份工作让shared_ptr来做了。
因此,也可以很轻松得出std::condition_variable_any会比std::condition_variable稍慢的结论了

其它的东东:

sched_yield()函数的man手册:
sched_yield() causes the calling thread to relinquish the CPU.  The thread is moved to the end of the queue for its
static priority and a new thread gets to run.

在C++14里还有std::shared_lock和std::shared_timed_mutex,但是libc++里还没有对应的实现,因此不做分析。

总结

llvm libc++中的各种mutex, lock, condition variable实际上是封闭了posix里的对应实现。封装的技巧和一些细节值得细细推敲学习。

看完了实现源码之后,对于如何使用就更加清晰了。

参考:

http://en.cppreference.com/w/cpp

http://libcxx.llvm.org/

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