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std::lock_guard、std::unique_lock、std::shared_lock

article 2025/2/23 5:47:33

在C++中，std::lock_guard、std::unique_lock和std::shared_lock是用于管理互斥量的RAII类，确保锁的正确获取和释放（避免忘记释放锁导致的死锁问题）。以下是它们的详细介绍、区别及使用场景：

1. `std::lock_guard`

功能：最简单的锁管理器，构造时立即锁定互斥量，析构时自动释放。
特点：
- 不支持手动锁定或解锁。
- 不支持延迟锁定或条件变量。
- 不可复制或移动，仅限当前作用域使用。
适用场景：
- 保护临界区，无需中途解锁或额外灵活性。

示例：

std::mutex mtx;
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx); // 立即锁定
    // 临界区操作
} // 自动解锁

2. `std::unique_lock`

功能：灵活的锁管理器，支持手动控制锁，适用于复杂场景。
特点：
- 可延迟锁定（defer_lock）、尝试锁定（try_to_lock）或接管已锁定互斥量（adopt_lock）。
- 允许手动调用lock()和unlock()。
- 支持所有权转移（移动语义）。
- 必须与条件变量配合使用。
适用场景：
- 需要延迟锁定、中途解锁或条件变量。
- 锁的所有权需在不同作用域传递。

示例：

std::mutex mtx;
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx, std::defer_lock); // 延迟锁定
lock.lock(); // 手动锁定
// ... 临界区操作
lock.unlock(); // 手动解锁（可选）

std::unique_lock 提供了以下几个成员函数：

lock()：尝试对互斥量进行加锁操作，如果当前互斥量已经被其他线程持有，则当前线程会被阻塞，直到互斥量被成功加锁。
try_lock()：尝试对互斥量进行加锁操作，如果当前互斥量已经被其他线程持有，则函数立即返回 false，否则返回 true。
try_lock_for(const std::chrono::duration<Rep, Period>& rel_time)：尝试对互斥量进行加锁操作，如果当前互斥量已经被其他线程持有，则当前线程会被阻塞，直到互斥量被成功加锁，或者超过了指定的时间。

必须要用时间互斥锁。std::timed_mutex mtx;

try_lock_until(const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& abs_time)：尝试对互斥量进行加锁操作，如果当前互斥量已经被其他线程持有，则当前线程会被阻塞，直到互斥量被成功加锁，或者超过了指定的时间点。

unlock()：对互斥量进行解锁操作。

除了上述成员函数外，std::unique_lock 还提供了以下几个构造函数：

unique_lock() noexcept = default：默认构造函数，创建一个未关联任何互斥量的 std::unique_lock 对象。

explicit unique_lock(mutex_type& m)：构造函数，使用给定的互斥量 m 进行初始化，并对该互斥量进行加锁操作。

unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t) noexcept：构造函数，使用给定的互斥量 m 进行初始化，但不对该互斥量进行加锁操作。

unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t) noexcept：构造函数，使用给定的互斥量 m 进行初始化，并尝试对该互斥量进行加锁操作。如果加锁失败，则创建的 std::unique_lock 对象不与任何互斥量关联。

unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t) noexcept：构造函数，使用给定的互斥量 m 进行初始化，并假设该互斥量已经被当前线程成功加锁。

3. `std::shared_lock`

功能：管理共享互斥量（如std::shared_mutex）的共享锁，允许多线程并发读。
特点：
- 构造时以共享模式锁定（lock_shared()）。
- 支持延迟锁定、手动操作，类似std::unique_lock。
- 析构时自动释放共享锁。
适用场景：
- 多线程读取共享数据，需并发访问。
- 写入时需配合std::unique_lock或std::lock_guard进行独占锁定。

示例：

std::shared_mutex sh_mtx;
{
    std::shared_lock<std::shared_mutex> read_lock(sh_mtx); // 共享锁定
    // 多线程可并发读取
} // 自动释放共享锁

{
    std::lock_guard<std::shared_mutex> write_lock(sh_mtx); // 独占锁定
    // 单线程写入
}

关键区别总结

特性	`std::lock_guard`	`std::unique_lock`	`std::shared_lock`
锁定模式	独占	独占	共享
灵活性	低（自动锁定/解锁）	高（手动控制）	中（类似`unique_lock`）
延迟锁定	不支持	支持（`defer_lock`）	支持（`defer_lock`）
条件变量支持	不支持	支持	不支持
适用互斥量类型	普通互斥量（如`std::mutex`）	普通互斥量	共享互斥量（如`std::shared_mutex`）
性能开销	低	较高	中等