C++ 中的 std::scoped_lock

在本文中，我们将讨论 C++ 中的 std::scoped_lock，包括其语法、示例、优点等等。

引言

C++ 中的并发问题可能由潜在的竞态条件和死锁引起。为了缓解这些问题，C++ 标准库提供了同步原语，包括 std::lock。然而，手动管理互斥锁容易出错且令人厌烦。C++17 引入的 std::scoped_lock 提供了一种在作用域内管理互斥锁的便捷解决方案，从而简化了该过程。

语法

std::scoped_lock 的语法很简单。它由一个或多个已知的互斥锁构建，而锁调用其构造函数。当 std::scoped_lock 对象超出其作用域时，锁将被释放。

示例

让我们考虑一个多个线程并发访问共享资源的场景。我们将使用 std::scoped_lock 来保护资源。

输出

Final value of shared_resource: 20000

说明

• 在此示例中，我们定义了一个由两个线程共享的全局变量 **shared_resource**，这两个线程是并发处理的。
• 这里，函数 **increment_shared_resource()** 由两个线程执行。在此函数内部，我们在访问共享资源时使用 std::scoped_lock 来锁定互斥锁。
• 因此，只有地址与指针变量（递增 shared_resource）中的地址匹配的线程才能进入临界区。
• 最后，当 shared_resource 不再是只写区域时，我们将继续打印该变量的输出。

std::scoped_lock 的附加优点

std::scoped_lock 在 C++ 中的一些附加优点如下：

• **自动锁定和解锁：** **std::scoped_lock** 的解锁过程，其主要优点之一，是一个自动锁定过程。当 std::scoped_lock 对象被销毁时，它将锁定底层互斥锁并最终自动释放它，从而降低了资源泄漏或系统可能死锁的几率。
• **异常安全：** **std::scoped_lock** 具有强大的异常安全保证。如果在临界区内发生异常，导致函数过早返回，当 **std:once** 作用域结束、对象被销毁时，互斥锁仍将被正确释放。
• **避免死锁：** **std::scoped_lock** 的构造方式是为了不允许同时锁定多个互斥锁，从而避免死锁。但是，如果涉及其他资源（如信号量、条件变量或消息队列），它可能会引入死锁。通过这种方式，每个线程都可以获得一条规则（要么所有互斥锁都被锁定，要么都不锁定），避免出现一个线程在持有某个互斥锁的同时等待另一个互斥锁而导致死锁的情况。
• **可读且易于维护的代码：** **std::scoped_lock** 的标准化有助于保持脚本的美观，并且这些脚本易于维护。它以清晰的方式执行此操作，分为标题和副标题，更重要的是，将受互斥锁保护的代码也进行了划分。为了提高代码的健壮性，自动解锁过程还可以避免我们因未锁定互斥锁而带来的麻烦，并在代码中增加了另一层复杂性。
• **与其他锁定机制的兼容性：** **std::scoped_lock** 是一个与 C++ 标准库提供的其他锁定技术兼容的接口，例如 **std::unique_lock** 和 **std::lock_guard**。它是指定用于处理超出每个临界区条件之外的特殊情况的锁定类型的最合适机制。

性能考虑

另一方面，scoped lock 增强了 std::Mutex 的功能，但其性能影响值得关注。将其集成到关键性能区域可能会导致每次都出现锁争用，这可能是不必要的。相应地，如果第二个选项是锁定机制，请评估合适的同步方法或重新设计算法以消除锁定。

有限范围

与带来简单性的 std::scoped_lock 相比，我们不能忘记其有限的上下文。它仅为同一线程提供独占访问，互斥锁不是线程安全的。如果多个线程或进程使用共享资源，则需要额外的同步机制，这些机制可以通过原子操作或条件变量来提供。

标准容器的线程安全

当我们在多线程环境中使​​用模板标准容器（如 std::vector 或 std::map）时，std::scoped_lock 有助于在修改期间保持线程安全状态的一致性。另一方面，我们应该意识到它可能不会自动确保线程安全行为或成功，因此需要额外的锁定或同步。

调试和测试

在同时开发应用程序时，大量的测试和调试至关重要。虽然 std:coveted scoped_lock 使事情变得更容易，但这并不意味着并发问题就完全消失了，因为不可能消除所有错误。端到端测试，包括压力测试和竞态条件检测，可以是一个非常彻底的过程，有助于在问题变得更严重之前识别和解决它们。

与遗留代码的兼容性

在将 std::scoped_lock 实现到现有代码库时，应考虑与手动互斥锁锁定和解锁等遗留同步机制的兼容性。通过用户逐步过渡到 std:Subclassing 同时保持向后兼容性，可以更好地完成升级。

文档和代码审查

当使用 std::scoped_lock 在团队程序员中开发项目时，评估代码的文档和运行审查非常重要。清楚地记录互斥锁的目的及其相关的 std::scoped_lock 有助于开发人员开始理解并发概念。缺乏经验的团队可能会不当使用它。

示例

让我们再举一个例子来说明 C++ 中的 std::scoped_lock。

输出

Final state of shared_vector: 10 20

说明

• 在此示例中，我们有一个全局向量 shared_vector 和一个互斥锁 vector_mutex 来保护对其的访问。
• 函数 **add_to_vector()** 由两个线程（t1 和 t2）调用。在此函数内部，我们使用 std::scoped_lock 来锁定 vector_mutex，确保一次只有一个线程可以访问该向量。
• 每个线程使用 push_back() 向 shared_vector 添加一个值。
• 在两个线程都完成执行后，我们在主线程中打印 shared_vector 的最终状态。
• 由于我们使用了 std::scoped_lock，临界区（push_back() 操作）受到保护，并且输出显示值 10 和 20 都已成功添加到 shared_vector 中。

关键点

C++ 中 std::scoped_lock 的一些要点如下：

• **线程安全：** 使用 std::scoped_lock，我们确保同一时间只有一个线程尝试使用临界区，因此我们能够避免竞态条件并保持资源（shared_vector）的完整性。
• **自动锁定和解锁：** scoped_lock（与其 std::scoped_lock 对等物一样）在构造时自动锁定互斥锁，并在销毁时解锁它。它可以防止因互斥锁解锁操作不当而导致的损失，这些操作可能会阻塞与资源交互的过程或导致其泄漏。
• **简洁性和可读性：** 将默认锁更改为 std::scoped_lock 可以节省调试时间并确保代码的可理解性。它准确地处理了互斥锁的锁定范围和限制。因此，它非常容易理解。
• **高效的资源管理：** scoped lock 应用 RAII（资源获取即初始化）规则，因此如果出现异常，资源将被正确管理。它始终保持互斥锁处于释放状态，从而保证了应用程序的活力。

结论

总之，std::scoped_lock 简化了 C++ 中处理互斥锁的过程并确保了它们的安全性。与手动管理互斥锁的锁定和解锁相比，它能够自动处理复杂性和解锁的可能性是其受欢迎的原因。该解决方案基于作用域锁定机制，该机制还可防止常见的并发问题，如竞态条件和死锁。

使用 std::scoped_lock 允许开发人员专注于他们的业务逻辑，而无需担心手动互斥锁管理和相关错误，从而实现更安全、更简洁的代码。然而，重要的是要记住，std::scoped_lock 并不是实现线程和并发原则的万能药。有必要精心设计并发算法，并为应用程序找到相关的同步机制，考虑到它们的具体要求。

在设计并发算法时，利用 std::scoped_lock 可以简化互斥锁管理，并提高代码的可靠性和性能。它是确保线程安全同时在 C++ 多线程编程中保持代码可读性和简洁性的强大工具。