C++中std::condition_variable_any、std::lock_guard 和 std::unique_

1、背景

在 C++ 多线程编程中，同步 和 互斥 是至关重要的概念。C++ 标准库提供了多种同步机制，其中 std::condition_variable_any、std::lock_guard 和 std::unique_lock 是经常被用到的工具。本文将详细介绍这三者的用途、区别、适用场景，并通过示例展示如何正确使用它们。

2、std::lock_guard

std::lock_guard 是 C++ 提供的一个 RAII（资源获取即初始化）风格的互斥锁管理器，用于在作用域内 自动管理 std::mutex 的加锁和解锁，确保不会发生死锁或者忘记解锁的问题，它是一种轻量级自动管理锁。

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

std::mutex mtx;

void print_message(const std::string& msg) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 自动加锁，作用域结束时自动解锁
    std::cout << msg << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(print_message, "Hello from thread 1");
    std::thread t2(print_message, "Hello from thread 2");

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

该锁主要适用于短生命周期的互斥操作。

3、std::unique_lock

与std::lock_guard相比，std::unique_lock支持更加灵活的互斥锁管理。主要有以下几个功能：

• 支持 defer_lock（延迟加锁），允许在稍后手动调用 lock()；
• 支持手动 unlock()，适用于更复杂的同步场景。

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

std::mutex mtx;

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock); // 不自动加锁
    std::cout << "Before locking...\n";

    lock.lock(); // 需要时手动加锁
    std::cout << "Worker thread acquired lock\n";

    lock.unlock(); // 需要时手动解锁
    std::cout << "Worker thread released lock\n";
}

int main() {
    std::thread t(worker);
    t.join();
    return 0;
}

• 支持 try_lock，尝试加锁但不阻塞；

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

std::mutex mtx;

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::try_to_lock); // 尝试加锁

    if (lock.owns_lock()) { // 判断是否成功加锁
        std::cout << "Worker acquired lock\n";
    } else {
        std::cout << "Worker failed to acquire lock\n";
    }
}

int main() {
    std::unique_lock<std::mutex> main_lock(mtx); // 先加锁，让 worker 线程无法获取锁

    std::thread t(worker);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50)); // 模拟主线程持锁一段时间

    main_lock.unlock(); // 释放锁

    t.join();
    return 0;
}

• 支持 timed_lock，尝试在一定时间内加锁；

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

std::mutex mtx;

void worker() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock); // 延迟加锁

    if (lock.try_lock_for(std::chrono::seconds(2))) { // 等待最多2秒尝试加锁
        std::cout << "Worker acquired lock\n";
    } else {
        std::cout << "Worker failed to acquire lock within timeout\n";
    }
}

int main() {
    std::unique_lock<std::mutex> main_lock(mtx); // 先加锁

    std::thread t(worker);

    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(3)); // 持锁超过 worker 的等待时间
    main_lock.unlock(); // 释放锁

    t.join();
    return 0;
}

4、std::condition_variable_any

std::condition_variable 只能和 std::unique_lockstd::mutex 结合使用，但是 std::condition_variable_any 可以适配 std::shared_mutex，从而实现 读写者模型。

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

std::shared_mutex rw_mutex;
std::condition_variable_any cv;
bool data_ready = false;
int data = 0;

// 读线程（多个线程可以共享读取）
void reader(int id) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);
    cv.wait(lock, [] { return data_ready; }); // 等待数据就绪
    std::cout << "Reader " << id << " read data: " << data << std::endl;
}

// 写线程（独占写入）
void writer() {
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    
    {
        std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(rw_mutex);
        data = 42;
        data_ready = true;
    }

    cv.notify_all(); // 唤醒所有等待的读线程
}

int main() {
    std::thread readers[3] = {
        std::thread(reader, 1),
        std::thread(reader, 2),
        std::thread(reader, 3)
    };

    std::thread writer_thread(writer);

    for (auto& r : readers) r.join();
    writer_thread.join();

    return 0;
}

• std::condition_variable_any 与 std::condition_variable 的区别

5、结论

• 如果你只需要在作用域内加锁并确保自动释放，使用 std::lock_guard。
• 如果你需要更灵活的锁管理，如手动解锁或尝试加锁，使用 std::unique_lock。
• 如果你需要线程间的条件同步，使用 std::condition_variable_any或者std::condition_variable，再根据std::mutex和std::shared_mutex哪个可以满足需求决定使用那一个条件变量，std::condition_variable_any比std::condition_variable功能更加强大，因此它的性能开销应该比std::condition_variable更大，因此如果std::condition_variable可以满足需要，最好使用std::condition_variable，否则使用std::condition_variable_any。