C++11 鎖機制三兄弟大比拼：mutex、lock_guard 與 unique_lock
大家好啊，我是小康。今天咱們聊點"家常"——那些讓C++程序員又愛又恨的多線程同步工具！
如果你曾經被多線程搞得頭大，或者聽到"死鎖"就心慌，那這篇文章就是為你準備的。今天我要用最接地氣的方式，幫你徹底搞懂C++11中的三兄弟：mutex、lock_guard和unique_lock。
為啥要用這些同步工具？
先別急著學怎么用，咱們得先知道為啥要用啊！
想象一下：你和室友共用一個衛生間。如果你們同時沖進去...嗯，畫面太美不敢想象。所以你們會怎么做？肯定是先看看有沒有人，沒人才進去，然后反鎖門，用完了再開門。
多線程程序也一樣！不同的線程可能會同時訪問同一塊"地盤"（共享資源），如果不加控制，就會出現數據錯亂、程序崩潰等一系列災難。
這時候，我們的三兄弟就閃亮登場了！
老大：mutex（互斥鎖）
mutex就像那個衛生間的門鎖，它是最基礎的同步工具，核心功能就兩個：鎖上(lock)和開鎖(unlock)。
來看個最簡單的例子：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
std::mutex mtx; // 這就是我們的"門鎖"
int shared_value = 0; // 這是我們要保護的"衛生間"
void increment_value() {
mtx.lock(); // 進去之前先鎖門
std::cout << "線程 " << std::this_thread::get_id() << " 進入臨界區" << std::endl;
// 想象這是個很復雜的操作，需要一些時間
shared_value++;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
std::cout << "線程 " << std::this_thread::get_id() << " 即將離開，共享值為: " << shared_value << std::endl;
mtx.unlock(); // 用完了記得開鎖，讓別人能進來
}
int main() {
std::thread t1(increment_value);
std::thread t2(increment_value);
t1.join();
t2.join();
return 0;
}看著挺簡單對吧？但這有個大坑——如果在lock和unlock之間發生了異常，或者你單純忘記了unlock，那么鎖就永遠不會被釋放，其他線程永遠進不了"衛生間"！這就是傳說中的"死鎖"。
正因如此，直接使用mutex很容易出錯，所以C++11給我們提供了更智能的解決方案。
老二：lock_guard（保安大哥）
lock_guard就像一個靠譜的保安大哥。當你進"衛生間"時，他會自動鎖門；當你出來時，無論是正常出來還是因為突發情況（異常）跑出來，他都會負責解鎖。
看看用lock_guard如何改寫上面的例子：
void safer_increment() {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx); // 保安上崗，自動鎖門
std::cout << "線程 " << std::this_thread::get_id() << " 進入臨界區" << std::endl;
// 即使這里拋出異常，離開函數作用域時lock_guard也會自動解鎖
shared_value++;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
std::cout << "線程 " << std::this_thread::get_id() << " 即將離開，共享值為: " << shared_value << std::endl;
// 不需要手動解鎖，guard離開作用域時會自動解鎖
}是不是簡單多了？這就是RAII（資源獲取即初始化）的魅力——資源的管理跟對象的生命周期綁定在一起。lock_guard一旦創建就會鎖定互斥量，一旦銷毀（離開作用域）就會解鎖互斥量。
不過lock_guard有個局限性：一旦上鎖，在其生命周期內你就不能手動解鎖了。就像你請了個特別死板的保安，他堅持要等你徹底離開才會開門，中途想出去透個氣都不行。
老三：unique_lock（萬能管家）
如果說lock_guard是保安大哥，那unique_lock就是一個高級管家，不但能自動鎖門解鎖，還能根據你的指令隨時鎖門或開門，甚至可以"借"鑰匙給別人。
來看個例子：
void flexible_operation() {
std::unique_lock<std::mutex> superlock(mtx); // 默認情況下構造時會鎖定mutex
std::cout << "線程 " << std::this_thread::get_id() << " 開始工作" << std::endl;
shared_value++;
// 假設這里不需要鎖了，可以提前解鎖
superlock.unlock();
std::cout << "臨時解鎖，執行一些不需要保護的操作" << std::endl;
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
// 需要再次訪問共享資源時，可以重新上鎖
superlock.lock();
shared_value++;
std::cout << "線程 " << std::this_thread::get_id() << " 完成工作，共享值為: " << shared_value << std::endl;
// 同樣，不需要手動解鎖，離開作用域時會自動解鎖（如果當時處于鎖定狀態）
}除了手動lock和unlock，unique_lock還有更多高級功能：
std::unique_lock<std::mutex> master_lock(mtx, std::defer_lock); // 創建時不鎖定
if (master_lock.try_lock()) { // 嘗試鎖定，如果失敗也不會阻塞
std::cout << "成功獲取鎖！" << std::endl;
} else {
std::cout << "獲取鎖失敗，但我可以去做別的事" << std::endl;
}
// 還可以配合條件變量使用
std::condition_variable cv;
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
cv.wait(lock, []{ return ready; }); // 這里會自動解鎖并等待條件滿足unique_lock比lock_guard靈活，但也付出了一點性能代價，它內部需要維護更多狀態信息。
三兄弟大比拼
說了這么多，來個簡單對比：
特性 | mutex | lock_guard | unique_lock |
手動鎖定/解鎖 | ? | ? | ? |
異常安全 | ?（需手動保證） | ? | ? |
條件變量配合 | ? | ? | ? |
嘗試鎖定(try_lock) | ? | ? | ? |
性能開銷 | 最小 | 很小 | 稍大 |
使用難度 | 容易出錯 | 簡單安全 | 靈活但復雜 |
實戰：模擬ATM取款與系統維護
最后用一個貼近生活的例子來鞏固一下。假設我們有個ATM系統，既要處理用戶取款，又要處理銀行的系統維護：
#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>
class ATMSystem {
private:
double cash_available; // ATM中可用現金
bool maintenance_mode; // 是否處于維護模式
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv; // 條件變量，用于等待維護結束
public:
ATMSystem(double initial_cash) : cash_available(initial_cash), maintenance_mode(false) {}
// 用戶取款操作
bool withdraw(double amount) {
// 這里必須用unique_lock，因為條件變量wait需要它
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
// 如果ATM正在維護中，等待維護結束
cv.wait(lock, [this] { return !maintenance_mode; });
// 檢查余額并取款
if (cash_available >= amount) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(50));
cash_available -= amount;
std::cout << "取出: " << amount << "，ATM剩余現金: " << cash_available << std::endl;
return true;
}
std::cout << "ATM現金不足，取款失敗！當前剩余: " << cash_available << std::endl;
return false;
}
// 開始系統維護
void start_maintenance() {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
maintenance_mode = true;
std::cout << "ATM進入維護模式，暫停服務" << std::endl;
}
// 結束系統維護
void end_maintenance() {
{
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
maintenance_mode = false;
std::cout << "ATM維護完成，恢復服務" << std::endl;
}
// 通知所有等待的取款線程
cv.notify_all();
}
// 補充現金
void refill_cash(double amount) {
std::lock_guard<std::mutex> guard(mtx);
cash_available += amount;
std::cout << "ATM補充現金: " << amount << "，當前總現金: " << cash_available << std::endl;
}
};
// 模擬用戶線程
void user_thread(ATMSystem& atm, int user_id) {
std::cout << "用戶 " << user_id << " 嘗試取款..." << std::endl;
atm.withdraw(100);
}
// 模擬維護線程
void maintenance_thread(ATMSystem& atm) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(20));
atm.start_maintenance();
// 執行維護操作
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(300));
atm.refill_cash(500);
// 維護結束
atm.end_maintenance();
}
int main() {
ATMSystem atm(300); // 初始現金300元
// 啟動一個維護線程和多個用戶線程
std::thread maint(maintenance_thread, std::ref(atm));
std::vector<std::thread> users;
for (int i = 1; i <= 5; ++i) {
users.push_back(std::thread(user_thread, std::ref(atm), i));
}
// 等待所有線程結束
maint.join();
for (auto& t : users) {
t.join();
}
return 0;
}總結
- mutex：最基礎的鎖，需要手動鎖定和解鎖，用不好容易出問題，就像自己管理衛生間門鎖。
- lock_guard：簡單安全的自動鎖，構造時鎖定，析構時解鎖，但不能中途操作鎖狀態，就像請了個死板但可靠的保安。
- unique_lock：功能最全面的鎖包裝器，靈活性最高，但有輕微的性能開銷，就像一個萬能的管家。
優秀實踐：
- 簡單場景，優先使用lock_guard
- 需要條件變量或靈活鎖定/解鎖時，使用unique_lock
- 對性能極度敏感的場景，考慮直接使用mutex，但要非常小心
希望這篇文章能讓你對C++11的同步工具有個清晰的認識。多線程不再可怕，熟練掌握這"三兄弟"，你就能寫出安全高效的并發程序啦！
