mutex：std::recursive_timed_mutex::try_lock_until

引入

随着多线程编程的日益普遍，C++11及更高版本引入了 <mutex> 头文件，该头文件包含多种互斥量（mutex）实现，以支持并发编程中的共享资源管理。在这些互斥量中，std::recursive_timed_mutex 是一种特殊类型的互斥量，它同时支持递归锁定和显式的超时控制。std::recursive_timed_mutex::try_lock_until 方法允许线程尝试在指定的时间点之前获取锁，如果未能成功获取锁，线程将继续执行而不被阻塞。这一特性非常有利于提升程序的灵活性和响应速度，对于需要访问共享资源的复杂应用场合具有重要意义。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 递归支持：std::recursive_timed_mutex 允许同一线程多次获取锁，或在递归调用中反复获取，从而避免死锁问题。
• 时间点控制：使用 try_lock_until，线程能在一个特定的时间点尝试获取锁，通过这种方式开发者可以设定具体的强制退出策略，有效管理临界区的访问。
• 灵活性和响应能力：通过超时控制，线程在获取不到锁的时候，可以自由选择其他工作，而不是孤立无援地阻塞，增强了多线程环境下的系统灵活性。

1.2 函数语法

std::recursive_timed_mutex::try_lock_until 的基本用法如下：

#include <mutex>
#include <chrono>

class recursive_timed_mutex : public mutex {
public:
    bool try_lock_until(std::chrono::steady_clock::time_point timeout_time);
    ...
};

• 参数：

  • timeout_time：期望尝试获取锁的时间点，必须为 std::chrono 库下的 steady_clock 类型的对象。

• 返回值：返回 true 表示成功获取了锁；返回 false 表示在期望的时间点未成功获取锁。

2. 完整示例代码

下面的代码示例展示了如何使用 std::recursive_timed_mutex::try_lock_until 方法来安全访问共享资源，并在指定时间点之前请求锁。

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

std::recursive_timed_mutex rtm; // 定义递归时间互斥锁
int sharedCounter = 0;           // 共享计数器

// 递归写入函数
void recursiveAdd(int count) {
    if (count > 0) {
        auto timeout = std::chrono::steady_clock::now() + std::chrono::milliseconds(200); // 设置超时时间
        if (rtm.try_lock_until(timeout)) { // 尝试在设定的时间之前获取锁
            ++sharedCounter; // 递增计数
            
            std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() 
                      << " incremented counter to " << sharedCounter 
                      << " (count = " << count << ")" << std::endl;

            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50)); // 模拟解决问题的工作
            
            // 递归调用
            recursiveAdd(count - 1);
            rtm.unlock(); // 释放锁
        } else {
            // 获取锁失败，输出提示并稍后重试
            std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() 
                      << " could not acquire lock, retrying..." << std::endl;
            std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(30)); // 等待之后重试
            recursiveAdd(count); // 再次尝试
        }
    }
}

int main() {
    const int numThreads = 3; // 定义线程数量
    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); // 每个线程递归调用三次
    }
  
    // 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. 引入必要的头文件：

   • 包括 <mutex>、<thread> 和 <chrono>，用于支持多线程和时间管理。

2. 定义递归时间互斥锁与共享数据：

   • 创建 std::recursive_timed_mutex rtm; 和共享的整型计数器 int sharedCounter = 0;。

3. 定义递归添加函数：

   • 在 recursiveAdd 中，当 count 大于零时，生成一个超时点 timeout。使用 try_lock_until(timeout) 尝试获取锁。
   • 在成功获取锁后，递增计数器，模拟计算工作，最后递归调用自身并释放锁。
   • 如果未能获取锁，将输出提示并重新尝试，直到成功为止。

4. 主函数中的线程管理：

   • 在 main 函数中创建多个线程，以执行 recursiveAdd，并在每个线程中提供参数进行递归调用。

5. 输出最终结果：

   • 监控并等待所有线程结束，对最终的计数器值打印，以确保所有递归调用均已成功完成。

4. 适用场景分析

4.1 递归运行中的资源安全

在进行许多迭代或递归操作时，可能需要在不同深度的调用中访问共同数据，try_lock_until 能够合理管理对共享资源的访问。

4.2 共享状态管理

适用于允许动态并发访问状态结构的情况下，例如计算图中的路径优化或数据共享分析时，以避免长时间阻塞。

4.3 高并发处理

在频繁的请求场景下，进入阻塞可能会引起系统过载，使用合适的超时设置使得代码更加灵活且可以继续处理其他任务。

5. 总结

std::recursive_timed_mutex::try_lock_until 是 C++ 多线程编程中的一个重要工具，它结合了递归的能力与超时策略，为复杂的并发应用提供了解决方案。借助这一机制，开发者能够在保证线程安全的前提下，高效且灵活地管理共享资源，防止可能的阻塞和死锁问题。掌握并使用 try_lock_until 将帮助程序员更具智能地应对复杂的并发挑战，并在多线程开发过程中提高效率与性能，有助于构建出更加优雅与可维护的代码。