mutex：std::shared_timed_mutex::try_lock_until

引入

随着多线程应用程序的日益普及，确保线程安全和数据一致性变得越来越重要。C++11及其后续版本的标准库通过 <mutex> 头文件提供了一系列多线程同步原语。其中，C++17 引入的 std::shared_timed_mutex 是一种特殊的互斥量，它支持多个线程同时读取共享数据，但在写入时则要求独占锁定。在这个上下文中，std::shared_timed_mutex::try_lock_until 方法允许线程在特定的时间点之前尝试获取共享锁，如果由于某种原因没有成功，它会立即返回失败状态，而不导致线程阻塞。使用这一特性可以提高多线程应用程序的灵活性和响应时间，特别是在需要并行处理的场景中。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 时间点控制：try_lock_until 允许线程在一个特定的时间点尝试获取共享锁，确保即使在高负载情况下也不会无限期阻塞。
• 非阻塞尝试：通过设置超时，开发者能够选择”重新尝试”或进行”其他操作”，从而避免在获取锁时的长时间延误。
• 增强并发性能：支持多个线程通过共享锁读取，共享互斥量相结合的方式可优化资源访问，提高性能，尤其适合读多写少的情况。

1.2 函数语法

std::shared_timed_mutex::try_lock_until 的基本使用语法如下：

#include <mutex>
#include <chrono>

class shared_timed_mutex : public mutex {
public:
    bool try_lock_until(std::chrono::steady_clock::time_point timeout_time); // 尝试在时间点获取锁
    ...
};

• 参数：

  • timeout_time：期望在该时间点获得锁，可以是 std::chrono::steady_clock::time_point 类型。

• 返回值：

  • 如果成功获取共享锁，返回 true；如果未能在设定的时间内获取，返回 false。

2. 完整示例代码

以下示例代码展示了如何使用 std::shared_timed_mutex::try_lock_until 在多线程环境中进行安全的共享数据访问。

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

std::shared_timed_mutex sharedMutex; // 定义共享时间互斥锁
std::vector<int> sharedData;          // 共享数据容器

// 尝试读取数据的函数
void readData() {
    auto timeout = std::chrono::steady_clock::now() + std::chrono::milliseconds(100);
    if (sharedMutex.try_lock_until(timeout)) { // 尝试获取共享锁
        std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " read values: ";
        for (const auto& value : sharedData) {
            std::cout << value << " "; // 输出共享数据
        }
        std::cout << std::endl;
        sharedMutex.unlock_shared(); // 释放共享锁
    } else {
        std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " could not acquire shared lock in time." << std::endl;
    }
}

// 写入数据的函数
void writeData(int value) {
    sharedMutex.lock(); // 申请独占锁
    sharedData.push_back(value);
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " wrote: " << value << std::endl;
    sharedMutex.unlock(); // 释放锁
}

int main() {
    const int numWriters = 2; // 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 = 0; i < numWriters; ++i) {
        writers.emplace_back(writeData, (i + 1) * 10); // 传入写入编号
    }

    // 启动读线程
    for (int i = 0; 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：

   • 此示例包含头文件 <iostream>、<thread>、<shared_mutex>、<vector> 和 <chrono>，用于支持多线程操作及互斥量功能。

2. 定义共享数据和互斥锁：

   • 创建 std::shared_timed_mutex sharedMutex，以确保对共享数据的线程安全访问，并定义含有数据的容器 std::vector<int> sharedData。

3. 定义读取数据函数：

   • 在 readData 函数中，使用 try_lock_until(timeout) 尝试获取共享锁，并在读取完数据后释放锁。如果未能在设定时间获取锁，会输出提示信息。

4. 定义写入数据函数：

   • 在 writeData 函数内，采用 lock() 方法获取独占锁，进行数据写入并在完成后释放。

5. 主函数中的线程控制：

   • 在 main 函数中，启动多个写线程和读线程，并通过 join() 方法等待它们完成任务。

4. 适用场景分析

4.1 高并发读操作

在需要频繁读取数据，但写入相对较少的场景，如配置管理、数据监测等，std::shared_timed_mutex::try_lock_until 能有效提升性能。

4.2 实时信息获取

在需要快速访问和实时更新的数据流管理系统中，比如市场数据获取，利用共享锁机制即可获得高效响应。

4.3 多用户环境

假如多个用户同时请求数据库或资源，采用这种方式防止因高并发造成的阻塞，确保程序的流畅。

5. 总结

std::shared_timed_mutex::try_lock_until 是 C++ 提供的一种强大的同步机制，其核心特性在于通过时间控制来优化多线程应用性能。在需高效访问共享资源并降低阻塞风险的场合特别有用，它允许多个读取线程并发进行，确保了数据的安全性和一致性。有效地运用这一特性，对于提升复杂并发程序的响应效率和处理性能十分关键。持续掌握和实践这一内容，将极大提高开发者在多线程环境下的编程能力与系统设计的合理性。