「C++ 多线程」std::recursive_mutex 基本用法

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1 std::recursive_mutex 基本概念

std::recursive_mutex 是 C++ 11 引入的一种 独占 且 递归 的互斥量类型，用于控制多个线程对共享资源的并发互斥访问。

std::recursive_mutex 包含了 std::mutex 的基本功能，包括 lock() 和 unlock() 函数进行加锁和解锁、try_lock() 以非阻塞的方式尝试获得锁。

与 std::mutex 不同的是，std::recursive_mutex 允许线程拥有当前互斥锁的期限内，可以重复进行尝试加锁（调用 lock() 或 try_lock() 函数）。需要注意的是，线程 需要进行对应数量次数的解锁（调用 unlock()）才可以完全释放当前互斥量的锁。

std::recursive_mutex 提供了可以重复加锁的机制，通常也可以称之为 递归锁。

由于提供了重复（递归）加锁的特性，std::recursive_mutex 的效率是比较低的。当使用了递归锁时，我们通常要考虑代码是否还有优化空间，尽量避免使用递归锁。递归次数通常有限制（爆栈），但在 C++ 中一般较少出现此情况。

2 std::mutex 重复加锁出错

我们如果采用普通的 std::mutex，进行重复尝试加锁，一般会出现死锁的状况，出现未定义行为。

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

std::mutex mtx;
int count;

void dfs(int k){
    if(k == 0) return;
    mtx.lock();     // 加锁
    count ++ ;
    std::cout << "thread id = " << std::this_thread::get_id();
    std::cout << ", count = " << count << "\n";
    dfs(k - 1);     // 递归
    mtx.unlock();   // 解锁
}

int main(){
    std::vector<std::thread> threads(3);
    for(auto& t : threads) t = std::thread(dfs, 5);
    for(auto& t : threads) t.join();

    std::cout << "final count = " << count << "\n";

    return 0;
}

在上面的代码中，写了一个递归函数 dfs()，实现了嵌套的重复尝试加锁。创建了 3 个线程，每个线程递归 5 层，递归的每一层需要先进行加锁，然后对共享数据 count 进行 +1，并输出数据的值。递归的每一层结束进行解锁。直到 k 为 0 时退出递归。

在 Windows 系统中运行可能的结果如下：

在 Windows 系统中，系统可能会通过采取一些优化策略、线程调度等，看似正确运行起来了，但实际上代码还是错误的。

在 Linux 系统中运行可能的结果如下：

在 Linux 系统中，显然程序运行不动了，表明出现了死锁。

3 std::recursive_mutex 实现重复加锁

我们可以将 std::mutex 重复加锁出错 代码中的 std::mutex 全部换成 std::recursive_mutex 即可。修改后就可以使得线程对一个互斥量进行重复加锁。

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

std::mutex r_mtx;
int count;

void dfs(int k){
    if(k == 0) return;
    r_mtx.lock();   // 加锁
    count ++ ;
    std::cout << "thread id = " << std::this_thread::get_id();
    std::cout << ", count = " << count << "\n";
    dfs(k - 1);     // 递归
    r_mtx.unlock(); // 解锁
}

int main(){
    std::vector<std::thread> threads(3);
    for(auto& t : threads) t = std::thread(dfs, 5);
    for(auto& t : threads) t.join();

    std::cout << "final count = " << count << "\n";

    return 0;
}

可能的运行结果如下：

参考

1. cppreference.com recursive_mutex