mutex：std::mutex::try_lock

引入

在 C++11 及其以后的版本中，<mutex> 头文件引入了多种同步原语，以支持多线程编程中的互斥和同步需求。其中，std::mutex::try_lock 提供了一个非阻塞的方式来请求互斥锁，它不让线程在锁不可用时一直等待，而是立即返回。这一特性使得开发者能够在跨线程共享资源的场景中更灵活地处理共享资源的访问，从而提高程序的效率和响应性。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 非阻塞请求：try_lock 不会阻塞调用线程，而是立即返回，指示锁是否已成功获取。如果锁已经被其他线程锁定，try_lock 将返回失败，允许程序根据具体需要采取不同的策略。
• 用户定制的逻辑：通过检查返回值，开发者可以实施不同的逻辑，比如尝试再次锁定或进行其他操作，有利于实现灵活的并发程序设计。
• 提高效率：在允许多个线程尝试访问共享资源的情况下，非阻塞的性质可以提高系统的发挥率及响应速度。

1.2 函数语法

std::mutex::try_lock 的基本函数用法如下：

#include <mutex>

class mutex {
public:
    bool try_lock(); // 尝试获取互斥锁
    void unlock();   // 释放互斥锁
    ...
};

• 返回值：返回 true 表示成功获取锁，返回 false 表示锁不可用。

2. 完整示例代码

下面的示例代码展示了如何使用 std::mutex::try_lock 来安全地访问共享资源。

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

std::mutex mtx; // 定义互斥锁
int sharedCounter = 0; // 共享计数器

void incrementCounter(int id) {
    while (true) {
        // 尝试获取锁
        if (mtx.try_lock()) {  // 如果成功获取锁
            // 进入临界区
            ++sharedCounter;  
            std::cout << "Thread " << id << " incremented counter to " << sharedCounter << std::endl;
            mtx.unlock(); // 释放锁
            break; // 成功后退出循环
        } else {
            // 如果获取锁失败，进行其他操作或等一段时间
            std::cout << "Thread " << id << " could not acquire lock, retrying..." << std::endl;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // 强制错开
        }
    }
}

int main() {
    const int numThreads = 5;
    std::thread threads[numThreads];

    // 创建并启用多个线程
    for (int i = 0; i < numThreads; ++i) {
        threads[i] = std::thread(incrementCounter, i + 1);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& t : threads) {
        t.join();
    }

    std::cout << "Final counter value: " << sharedCounter << std::endl; // 输出最终计数器的值
    return 0;
}

3. 代码解析

1. 引入头文件：

   • 引入 <mutex>、<thread> 和 <chrono>，以支持多线程和互斥锁操作以及时间延迟。

2. 定义互斥锁和共享变量：

   • 创建一个互斥锁 std::mutex mtx，以及一个共享的整数计数器 int sharedCounter = 0，用于线程间共享的资源。

3. 定义线程函数：

   • 在 incrementCounter 函数中，使用 try_lock() 尝试获取互斥锁。如果锁没有被其他线程占用，线程将进入临界区执行共享资源更新并最终释放锁。
   • 如果获取锁失败，该线程会输出相应信息并稍微休眠再尝试，以降低转换频率，并避免过度占用 CPU。

4. 主函数中的线程管理：

   • 在 main 函数中，创建并启动多个线程，该线程执行 incrementCounter 对共享计数器进行安全的修改。

5. 输出最终结果：

   • 等待所有线程结束后，输出最终的计数器值，确保所有并发操作完成。

4. 适用场景分析

4.1 高并发场景

在不同线程之间需要频繁访问共享资源的场景中，try_lock 提供的非阻塞特性可显著提高性能，适合用于高竞争条件的访问场景。

4.2 资源分配

在实现资源池或者处理动态资源分配时，try_lock 可帮助避免长时间锁定带来的资源浪费。

4.3 改善系统响应

异常情况下，程序可以使用 try_lock 作为非阻塞选项，处理较高的系统要求和响应处理，使流畅性得以获得。

5. 总结

std::mutex::try_lock 是 C++ 提供的一种有用的多线程编程工具，使得互斥锁在并发访问共享资源时更加灵活高效。通过立即返回方法去请求锁，程序可以避免因等待而阻塞，提升系统的响应能力。掌握这一特性可以设计出高效、健壮的并发程序，对于提高 C++ 开发者的编码能力至关重要。有效地使用 try_lock 使得设计资源访问模式和优化并发逻辑成为可能，为多线程计算带来更多选择与灵活性。