C++ 标准库 mutex

下面对 C++11 起引入的 <mutex> 头文件及其实用同步原语做一次系统、深入的梳理，包括互斥量类型、锁管理类、一次性调用、实践建议等。

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一、概述

• <mutex> 提供了基于操作系统底层原生机制的互斥量（mutex）及相关锁管理工具，用于在线程间保护共享资源，避免数据竞争。
• 所有类型都在命名空间 std 下，满足 RAII 风格，确保异常安全。

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二、互斥量类型

类型	特性
std::mutex	最基础、不可重入的互斥量。支持 lock()／unlock()／try_lock()。
std::recursive_mutex	允许同一线程多次锁定，匹配的次数必须相同次数解锁。
std::timed_mutex	在 lock_for()／lock_until() 上支持限时尝试加锁。
std::recursive_timed_mutex	递归 + 限时尝试加锁。
std::shared_mutex (C++17)	读–写锁：支持多个共享（读）锁或独占（写）锁。
std::shared_timed_mutex (C++14)	同上，且支持限时尝试加锁。

示例：

std::mutex m;
if (m.try_lock()) {
    // 成功获得互斥
    m.unlock();
}

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三、锁管理类

1. std::lock_guard<Mut>

• 最简单的 RAII 锁：构造时 lock()，析构时 unlock()。
• 不可手动解锁，不可转移所有权。

std::mutex m;
void f() {
    std::lock_guard<std::mutex> lk(m);
    // m 已锁，函数退出时自动 unlock
}

2. std::unique_lock<Mut>

• 功能更强：可延迟锁定、手动 lock()/unlock()、可中途释放／重新加锁，还能与条件变量配合。
• 支持可转移所有权（move-only）。

std::mutex m;
void g() {
    std::unique_lock<std::mutex> lk(m, std::defer_lock);
    // …决定时机
    lk.lock();
    // …临界区
    lk.unlock();
    // …再锁
}

3. std::scoped_lock<Mut...> (C++17)

• 同时对多个互斥量加锁，避免死锁：构造时锁定所有，析构时统一解锁。

std::mutex m1, m2;
void h() {
    std::scoped_lock lk(m1, m2);
    // 同时锁住 m1 和 m2
}

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四、一次性调用：std::call_once 与 std::once_flag

• 场景：需要某段初始化代码仅执行一次（如单例初始化）。
• std::once_flag flag;
• std::call_once(flag, []{/* 初始化 */}); ——无论多少线程并发调用，内部保证目标函数只执行一次，其余线程阻塞或快速返回。

std::once_flag init_flag;
void init() { /* … */ }
void use() {
    std::call_once(init_flag, init);
    // 保证 init 只被调用一次
}

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五、死锁与性能注意

1. 锁的顺序
   • 对多个互斥量加锁时，保持全局一致的顺序或使用 std::scoped_lock。
2. 减少锁粒度
   • 临界区只保护必要的共享数据；避免大范围持锁导致性能瓶颈。
3. 避免递归锁滥用
   • recursive_mutex 灵活但开销大，可读设计是否真需要同一线程重入。
4. 公平性与饥饿
   • 大多数实现非公平排队，高优先级或频繁加锁线程可能“饥饿”低优先级线程。可根据需要选用读写锁或更高层框架。
5. 条件变量配合
   • std::condition_variable（在 <condition_variable> 中）需要 std::unique_lock，不是 lock_guard。

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六、实践建议

• 优先使用高层并行框架
  现代 C++ 更推荐使用 <atomic>、线程池、并行算法（<execution>）或任务系统，直接管理 mutex/lock 应仅在必要时进行细粒度控制。
• 封装共享数据结构
  将互斥与数据一起封装到类内，通过成员函数对外统一接口，保证使用者无法绕过锁。
• 避免繁重计算持锁
  如果需要大量 CPU 工作，可在释放锁后再进行，以降低锁竞争。
• 工具监测
  在调试阶段可使用 ThreadSanitizer（TSan）等工具检测死锁和数据竞争。

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通过以上对 <mutex> 中互斥量类型、锁管理类、一次性调用及实践注意事项的全面梳理，希望能帮助你在多线程编程中更安全、高效地使用标准库同步原语。祝编码顺利！