mutex：std::shared_timed_mutex::try_lock_shared_until

引入

在现代 C++ 编程中，尤其在多线程开发领域，合理管理共享资源的访问至关重要。C++11 引入的 <mutex> 头文件提供了若干种互斥量以解决线程安全问题，而 C++17 的 std::shared_timed_mutex 则将这些管理机制进一步增强。std::shared_timed_mutex 允许多个线程同时读取共享数据，并在写入时确保只有一个线程拥有独占访问权。在这个背景下，try_lock_shared_until 方法可以让线程在指定的时间点之前尝试获取共享锁，这为高并发和实时操作提供了更大的灵活性和控制力。这种机制尤其适合读取操作频繁而写入偶尔出现的情形。

1. 特性与函数介绍

1.1 特性

• 时间限制的共享锁：try_lock_shared_until 允许线程在一个时间点之前尝试获取共享锁，不会造成永久的阻塞。
• 高度并发支持：多个线程可以共享读取数据，适合频繁读并偶尔写的场合，有效降低了锁的竞争。
• 灵活可控：开发者可以根据实际需求选择是否等待获取锁，能够根据业务逻辑做出灵活反应。

1.2 函数语法

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

#include <mutex>
#include <chrono>

class shared_timed_mutex : public mutex {
public:
    bool try_lock_shared_until(std::chrono::steady_clock::time_point timeout_time); // 尝试获取共享锁
    ...
};

• 参数：

  • timeout_time：指定的时间点，类型为 std::chrono::steady_clock::time_point，表示能在此时间点之前尝试获取锁。

• 返回值：

  • 若成功获取共享锁，返回 true；若未成功在给定时间内获得共享锁，返回 false。

2. 完整示例代码

以下示例展示了如何使用 std::shared_timed_mutex::try_lock_shared_until 在多线程环境中安全地读取共享资源。

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

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

// 读取数据的函数
void readData() {
    auto timeout = std::chrono::steady_clock::now() + std::chrono::milliseconds(100); // 定义超时时间
    if (st_mutex.try_lock_shared_until(timeout)) { // 尝试获取共享锁
        std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() 
                  << " read values: ";
        for (const auto& val : sharedData) {
            std::cout << val << " "; // 输出共享数据内容
        }
        std::cout << std::endl;
        st_mutex.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) {
    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
}

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 = 1; i <= numWriters; ++i) {
        writers.emplace_back(writeData, i * 10); // 传入写入值
    }

    // 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：

   • 使用 <iostream>、<thread>、<shared_mutex> 和 <vector> 以支持多线程和互斥量操作。

2. 定义共享数据与互斥锁：

   • 创建一个 std::shared_timed_mutex st_mutex; 用于控制对 std::vector<int> sharedData; 的线程安全访问。

3. 定义读取线程函数：

   • 在 readData 函数内，设置一个超时时间，并调用 try_lock_shared_until(timeout) 尝试获取共享锁。若成功，读取数据并输出；若未能获取锁，则输出提示信息。

4. 定义写入线程函数：

   • 在 writeData 函数中，通过 lock() 获取独占锁，执行数据写入后，调用 unlock() 释放锁。

5. 主函数中的线程管理：

   • 在 main 中创建多个写和读线程，并使用 join() 等待线程的完成，确保所有操作的顺利结束。

4. 适用场景分析

4.1 读根本写少的环境

在许多应用场景中，读取是远比写入频繁的，例如在配置设置或监测系统中，利用 try_lock_shared_until 能提供高效的读取方案。

4.2 实时数据监控

在需要实时获取数据的应用（如传感器数据监控系统），此方法能保证在特定时间内尽可能多地进行读取，提高系统效率。

4.3 高并发的Web应用

在Web应用服务器中存在多个用户想要并发读取同一资源的情况，实施非阻塞式锁定的机制将显著改善用户的响应时间和体验。

5. 总结

std::shared_timed_mutex::try_lock_shared_until 为 C++ 的多线程开发提供了一种高效、灵活的数据访问控制选择。它结合了共享锁的并发读取能力与超时控制的灵活性，能够有效提升系统性能并简化复杂场景下的线程管理。通过对这一功能的掌握，开发者不仅能够应对多线程编程的挑战，还能设计出更高效与稳健的应用程序。合理的运用 try_lock_shared_until 可以在高并发环境中显著提升用户体验和输出效率，这无疑对现代软件开发具有重要的指导意义。