mutex：std::recursive_mutex::lock

引入

随着多线程编程的逐渐普及，C++11 引入了 <mutex> 头文件，以便更好地支持并发执行。该头文件提供了多种不同的互斥量，其中 std::recursive_mutex 是一种特殊类型的互斥量，允许同一线程多次获取同一个锁。这使得 std::recursive_mutex::lock 函数成为一个重要的工具，极大地便利了需要递归函数调用或复杂资源管理的场景。理解 recursive_mutex 的特性能够帮助开发者合理利用多线程，提高代码质量和稳定性。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 递归能力：与普通的互斥量不同，std::recursive_mutex 支持同一线程对同一锁的多次锁定，每次锁定必须对应一次解锁，避免因自身调用导致的死锁。
• 线程安全：只有持有该锁的线程才能调用解除锁定方法，从而确保操作的安全和一致性。
• 灵活性：适用于需要通过递归函数来访问共享资源的场景，尤其在对象属性或复杂逻辑中。

1.2 函数语法

std::recursive_mutex::lock 的基本用法如下：

#include <mutex>

class recursive_mutex : public mutex {
public:
    void lock();   // 获取互斥锁
    void unlock(); // 释放互斥锁
    ...
};

• 无参数：该函数调用时没有参数，直接获取锁。
• 无返回值：调用时则没有返回值。

2. 完整示例代码

以下示例展示了如何使用 std::recursive_mutex::lock 来实现多线程中的递归操作。

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

std::recursive_mutex r_mtx; // 定义递归互斥锁
int sharedCounter = 0;       // 共享计数器

// 递归添加函数
void recursiveAdd(int count) {
    r_mtx.lock(); // 尝试获取锁
    if (count > 0) {
        ++sharedCounter; // 递增计数
        std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id()
                  << " incremented counter to " << sharedCounter << std::endl;
        recursiveAdd(count - 1); // 递归调用
    }
    r_mtx.unlock(); // 释放锁
}

int main() {
    const int numThreads = 3; // 定义线程数目
    std::thread threads[numThreads];

    // 创建并启动多个线程
    for (int i = 0; i < numThreads; ++i) {
        threads[i] = std::thread(recursiveAdd, 3); // 每个线程递归增三次
    }

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

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

3. 代码解析

1. 引入头文件：

   • 包含 <mutex> 以支持互斥锁功能，同时引入 <thread> 以处理多线程操作。

2. 定义递归互斥锁与共享数据：

   • 使用 std::recursive_mutex r_mtx 创建递归线程安全的互斥锁，并定义一个共享整型计数器 int sharedCounter = 0。

3. 定义递归添加函数：

   • 在 recursiveAdd 函数中，通过 r_mtx.lock() 获取互斥锁，然后在 count > 0 条件下递增共享计数器。
   • 使用递归调用自己，将 count 减少 1，实现计数多次递增。
   • 在递归结束后通过 r_mtx.unlock() 释放锁，确保在递归结束时释放互斥锁。

4. 主函数中的线程管理：

   • 在 main 函数中通过创建多个线程以执行 recursiveAdd 并传入 count 参数为 3，让每个线程进行三个递归增量操作。

5. 结果输出：

   • 等待所有线程执行结束后，输出最终的 sharedCounter 值，以验证所有递归增量操作是否成功。

4. 适用场景分析

4.1 递归算法

在涉及递归算法的场景中，例如计算树结构或图形的递归遍历中，使用 std::recursive_mutex 可以确保每次递归调用正确访问和修改共享资源。

4.2 数据结构操作

在复杂数据结构（例如链表的递归处理或图的遍历）中，递归互斥锁能便利不同层级的数据访问，避免多个线程间的竞争。

4.3 多线程任务调度

在多阶段任务的执行中，允许相同线程在不同任务阶段中再次请求同一锁，可以方便流表的管理与任务控制。

5. 总结

std::recursive_mutex::lock 为 C++ 的多线程编程提供了一种强大的机制，以支持更灵活而复杂的并发方案。通过允许同一线程在需要时多次锁定同一互斥锁，开发者能有效地应对递归算法或复杂数据处理中的共享资源管理。掌握并合理运用这一特性，对于编写高效和安全的多线程应用至关重要。在并发场景下合理地使用 recursive_mutex，不仅能提高程序的稳定性和可维护性，更能在多线程设计中提升工作效率和执行反应能力。