Linux C++并發編程中的鎖機制

在Linux環境下使用C++進行并發編程時，鎖機制是確保多個線程安全訪問共享資源的關鍵。以下是一些常用的鎖機制及其在C++中的實現方式：

1. 互斥鎖（Mutex）

互斥鎖是最基本的同步機制，用于保護臨界區，確保同一時間只有一個線程可以訪問。

C++11中的std::mutex

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

std::mutex mtx; // 全局互斥鎖

void print_block(int n, char c) {
    mtx.lock(); // 加鎖
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
    mtx.unlock(); // 解鎖
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

C++11中的std::lock_guard

std::lock_guard是一個方便的RAII（Resource Acquisition Is Initialization）風格的鎖管理類，它在構造時加鎖，在析構時自動解鎖。

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

std::mutex mtx;

void print_block(int n, char c) {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx); // 自動加鎖和解鎖
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        std::cout << c;
    }
    std::cout << '\n';
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

2. 遞歸鎖（Recursive Mutex）

遞歸鎖允許同一個線程多次獲取同一個鎖而不會導致死鎖。

C++11中的std::recursive_mutex

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

std::recursive_mutex mtx;

void print_block(int n, char c, int count = 0) {
    if (count >= 2) return; // 防止無限遞歸

    mtx.lock(); // 加鎖
    std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << " is printing block\n";
    print_block(n, c, count + 1); // 遞歸調用
    mtx.unlock(); // 解鎖
}

int main() {
    std::thread th1(print_block, 50, '*');
    std::thread th2(print_block, 50, '$');

    th1.join();
    th2.join();

    return 0;
}

3. 條件變量（Condition Variable）

條件變量用于線程間的等待和通知機制。

C++11中的std::condition_variable

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void print_id(int id) {
    std::unique_lock<std::mutex> lck(mtx);
    cv.wait(lck, []{ return ready; }); // 等待條件變量
    std::cout << "Thread " << id << '\n';
}

void go() {
    std::lock_guard<std::mutex> lck(mtx);
    ready = true;
    cv.notify_all(); // 通知所有等待的線程
}

int main() {
    std::thread threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        threads[i] = std::thread(print_id, i);
    }

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    go();

    for (auto& th : threads) {
        th.join();
    }

    return 0;
}

4. 讀寫鎖（Read-Write Lock）

讀寫鎖允許多個讀線程同時訪問共享資源，但寫線程訪問時會阻塞其他讀線程和寫線程。

C++17中的std::shared_mutex

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

std::shared_mutex rw_mtx;
int shared_data = 0;

void read_data(int id) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mtx); // 共享鎖
    std::cout << "Reader " << id << " reads data: " << shared_data << '\n';
}

void write_data(int value) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mtx); // 獨占鎖
    shared_data = value;
    std::cout << "Writer writes data: " << shared_data << '\n';
}

int main() {
    std::thread readers[5];
    std::thread writer(write_data, 42);

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        readers[i] = std::thread(read_data, i);
    }

    for (auto& th : readers) {
        th.join();
    }
    writer.join();

    return 0;
}

總結

在Linux環境下使用C++進行并發編程時，合理使用鎖機制可以有效避免數據競爭和死鎖問題。C++11及以后的版本提供了豐富的同步原語，如std::mutex、std::lock_guard、std::condition_variable和std::shared_mutex，這些工具可以幫助開發者更方便地實現線程安全的代碼。