C++ 多线程编程之一

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生产者 - 消费者模型

重点知识

unique_lock 的作用

unique_lock 是 C++ 标准库 mutex 的 RAII（资源获取即初始化）封装，用于自动管理互斥锁。当执行 unique_lock<mutex> lock(_mutex); 时：

  • 当前线程尝试获取 mutex 锁（如果其他线程已经持有锁，则当前线程会阻塞等待，直到锁被释放）。
  • 一旦成功获取锁，在 lock 对象的生命周期内，当前线程独占访问受保护的资源。
  • 当 lock 对象销毁时（如作用域结束），mutex 会自动解锁，从而可以避免死锁或资源泄露。

unique_lock 与 lock_guard 的区别

  • unique_lock

    • 使用语法（unique_lock<mutex> lock(_mutex);）
    • 可以手动解锁（lock.unlock()）。
    • 可以延迟加锁（unique_lock<mutex> lock(_mutex, defer_lock);）。
    • 可以移动赋值（unique_lock 可被转移，但 lock_guard 不能）。
    • 通常与 condition_variable 搭配使用，因为 condition_variable::wait() 函数需要传入 unique_lock 参数（不能使用 lock_guard）。

  • lock_guard

    • 使用语法（lock_guard<mutex> lock(_mutex);）
    • 作用域结束时自动解锁，不可以手动解锁。
    • 比 unique_lock 更轻量级，性能更好（因为没有 unlock () 之类的额外操作）。

总结

  • 如果只需要简单加锁 / 解锁，建议使用 lock_guard，效率更高。
  • 如果需要手动控制解锁，建议使用 unique_lock。

案例代码

模拟实现生产者线程生产一条数据，消费者线程就消费一条数据，两个线程一直交替执行。

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#include <iostream>
#include <queue>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>
#include <atomic>
#include <condition_variable>

using namespace std;

mutex _mutex;                // 互斥锁
queue<int> _queue;           // 共享数据队列
condition_variable _cv;      // 条件变量
atomic_bool _finish(false);  // 控制标志（用于终止程序）

void produce() {
    while (!_finish) {
        // 获取锁
        unique_lock<mutex> lock(_mutex);

        // 阻塞等待，直到满足条件才继续往下执行（可以避免虚假唤醒）
        _cv.wait(lock, [] { return _queue.empty(); });

        // 模拟生产时间
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));

        int item = rand() % 1000 + 1;
        _queue.push(item);
        cout << "生产: " << item << endl;

        // 通知消费者
        _cv.notify_all();
    }
}

void consume() {
    while (!_finish) {
        // 获取锁
        unique_lock<mutex> lock(_mutex);

        // 阻塞等待，直到满足条件才继续往下执行（可以避免虚假唤醒）
        _cv.wait(lock, [] { return !_queue.empty(); });

        // 模拟消费时间
        this_thread::sleep_for(chrono::milliseconds(500));

        int item = _queue.front();
        _queue.pop();
        cout << "消费: " << item << endl;

        // 通知生产者
        _cv.notify_all();
    }
}

int main() {
    // 设置随机种子
    srand(time(nullptr));

    // 启动生产者和消费者线程
    thread producer(produce);
    thread consumer(consume);

    // 主线程运行 60 秒
    this_thread::sleep_for(chrono::seconds(60));

    // 设置终止标志
    _finish = true;

    // 唤醒所有线程，确保它们能结束
    _cv.notify_all();

    // 主线程等待生产者和消费者线程结束
    producer.join();
    consumer.join();

    return 0;
}

程序运行的输出结果如下：

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生产: 98
消费: 98
生产: 635
消费: 635
生产: 318
消费: 318
生产: 513
消费: 513
生产: 413
消费: 413
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