mutex：std::shared_timed_mutex::lock

引入

在现代C++编程中，随着多线程应用的普及，对数据一致性和同步操作的要求越来越高。C++11引入了 <mutex> 头文件，提供了多种同步机制，以确保在并发环境中的安全访问。C++17 新特性 std::shared_timed_mutex 是对传统互斥量的增强，允许多个线程以共享模式并发读取，并通过独占锁来控制写入。特别地，std::shared_timed_mutex::lock 方法用于请求独占锁，确保写操作在进行时不会被其它线程所干扰。掌握和理解 lock 方法的特性对于开发高效的多线程程序至关重要。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 独占锁获取：使用 lock 方法，只有一个线程能获得独占锁，确保同时只有一个线程能够修改共享资源。
• 简化的写入操作：在读操作时，可以使用 try_lock 或 lock_shared 等相应方法来实现不阻塞的处理，从而提高多线程程序的性能。
• 适用场景广泛：std::shared_timed_mutex 适用于以读多写少的应用场景，允许灵活的并发访问控制。

1.2 函数语法

std::shared_timed_mutex::lock 的基本语法如下：

#include <mutex>

class shared_timed_mutex : public mutex {
public:
    void lock(); // 获取独占锁
    ...
};

• 无参数：该方法无需传入参数。
• 无返回值：成功获取锁后不会返回值，调用者应当确保在正确的条件下调用这个方法，以避免潜在的错误。

2. 完整示例代码

下面的代码示例展示了如何使用 std::shared_timed_mutex::lock 在多线程环境中安全地进行写操作。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <shared_mutex>
#include <vector>

std::shared_timed_mutex st_mutex;     // 定义共享时间互斥锁
std::vector<int> sharedData;           // 共享的数据

// 写数据的函数
void writeData(int value) {
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " is trying to write." << std::endl;
    st_mutex.lock(); // 获取独占锁
   
    sharedData.push_back(value);  // 写入数据
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() 
              << " wrote value: " << value << std::endl;
    
    st_mutex.unlock(); // 释放独占锁
}

// 读数据的函数
void readData() {
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " is trying to read." << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(10)); // 模拟获取锁前的等待
    st_mutex.lock_shared(); // 获取共享锁

    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() 
              << " read values: ";
    for (const auto& val : sharedData) {
        std::cout << val << " "; // 输出当前的共享数据
    }
    std::cout << std::endl;

    st_mutex.unlock_shared(); // 释放共享锁
}

int main() {
    const int numWriters = 3;  // 写线程数量
    const int numReaders = 5;   // 读线程数量
    std::vector<std::thread> writers;
    std::vector<std::thread> readers;

    // 启动写线程
    for (int i = 1; i <= numWriters; ++i) {
        writers.emplace_back(writeData, i); // 传入写值
    }

    // 启动读线程
    for (int i = 1; i <= numReaders; ++i) {
        readers.emplace_back(readData);
    }

    // 等待所有线程完成
    for (auto& writer : writers) {
        writer.join();
    }
    for (auto& reader : readers) {
        reader.join();
    }

    return 0;
}

3. 代码解析

1. 引入必要的头文件：

   • 示例中包含了 <iostream>、<thread>、<shared_mutex> 和 <vector>，以支持主要的功能模块。

2. 定义共享数据和互斥锁：

   • 创建 std::shared_timed_mutex st_mutex，为多个线程访问共享数据提供控制，同时定义共享数值容器 std::vector<int> sharedData。

3. 定义写入函数：

   • writeData 函数尝试通过 lock() 获取独占锁来写共享数据，并在完成后调用 unlock() 释放锁。

4. 定义读取函数：

   • readData 函数通过 lock_shared() 获取共享锁，在确保数据安全的情况下，读取当前的值并打印。

5. 主函数中的线程管理：

   • 在 main 函数中创建指定数量的读写线程，执行它们，并通过 join() 等待其结束。

4. 适用场景分析

4.1 读多写少场景

在需要频繁读取共享数据而写入较少的应用中，如统计信息集合、配置参数访问等场景，std::shared_timed_mutex 可以显著提高处理的效率。

4.2 实时数据监控

在监控与实验数据的系统中，允许多个线程快速读取数据而无需额外的阻塞，并根据通过独占锁来存入新数据。

4.3 高并发网络服务

在数据访问摩擦小的数据服务中，利用 std::shared_timed_mutex 来设置灵活的读写控制，以确保资源高效且不发生冲突。

5. 总结

std::shared_timed_mutex::lock 是 C++17 提供的重要工具，使开发者能够有效管理多线程共享资源的访问。通过独占锁的方式，程序能够在保护数据一致性的同时，实现高并发数据写入及读取。在现代应用场景中，合理使用此源码将极大地提高程序性能，并降低潜在的资源竞用情况。因此，理解和掌握 std::shared_timed_mutex 和它的方法对于多线程编程的实施和维护至关重要。通过灵活地应用这些技术，能够创建出更加高效和稳定的并发应用程序。