【C++】C++ 锁（std::mutex）的使用及其使用

在C++中，锁是一种同步机制，用于保护共享资源在多线程环境下的访问安全，防止因并发访问导致的数据不一致、竞态条件等问题。

以下是对C++中锁相关概念、类型以及使用方法的详细介绍：

1. 互斥锁（Mutex）

互斥锁（std::mutex）是最基础也是最常用的锁类型。它确保在同一时刻，最多只有一个线程能够获得锁并访问受保护的资源。当一个线程持有互斥锁时，其他尝试获取该锁的线程将被阻塞，直到锁被释放。

基本操作

锁住（Locking）：使用std::mutex::lock()方法获取锁。如果锁不可用（即已被其他线程持有），调用线程将被阻塞，直到锁变为可用。
解锁（Unlocking）：使用std::mutex::unlock()方法释放锁，使得等待的线程有机会获取锁并继续执行。

std::mutex mtx;
int shared_data = 0;

void thread_function() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动锁住和解锁
    shared_data++; // 受保护的操作
}

2. 锁的智能指针封装（常用）

为了避免忘记解锁而导致死锁，通常建议使用RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制来管理锁的生命周期。C++标准库为此提供了两种智能指针式的封装：

std::lock_guard：在构造时自动获取锁，在析构时自动释放锁。适用于函数或代码块内部，确保锁在作用域结束时正确释放。
std::unique_lock：比std::lock_guard更灵活，除了具备自动锁住和解锁的功能外，还支持：
- 手动控制锁的获取和释放。
- 非阻塞尝试锁定（try_lock()）和定时尝试锁定（try_lock_for()、try_lock_until()）。
- 支持锁的转让（移动构造和赋值）。

std::mutex mtx;
int shared_data = 0;

void thread_function() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    if (some_condition) {
        lock.unlock(); // 手动释放锁
        // ... 其他操作 ...
    }
    shared_data++; // 受保护的操作
}

3. 递归锁（Recursive Mutex）

递归锁（std::recursive_mutex）允许同一线程多次获取同一个锁而不阻塞自己。这种锁适用于需要在已经持有锁的代码内部再次访问相同锁的情况。每次成功获取锁都会增加锁的递归计数，解锁时递归计数减一，直到计数降为零时锁才真正释放给其他线程。

std::recursive_mutex rmtx;
int shared_data = 0;

void recursive_function() {
    std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(rmtx);
    shared_data++; // 第一次获取锁
    recursive_function(); // 再次调用自己，不会阻塞，递归计数增加
} /

4. 条件变量（Condition Variables）

条件变量（std::condition_variable）与互斥锁配合使用，用于线程间的同步。它们允许线程在满足特定条件之前等待，或者通知其他线程某个条件已变为真。

td::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool data_ready = false;

void producer_thread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    // ... 生产数据 ...
    data_ready = true;
    cv.notify_one(); // 通知等待的消费者线程
}

void consumer_thread() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, [] { return data_ready; }); // 等待数据准备就绪
    // ... 消费数据 ...
}