好的，没问题！咱们直接开始今天的讲座。
C++ std::recursive_mutex：可重入互斥量的使用场景与注意事项
大家好！今天咱们要聊聊一个有点特殊的互斥量：std::recursive_mutex。顾名思义，它能“递归”地被同一个线程多次锁定。这听起来可能有点绕，但理解了它的用途，就能在某些特定场景下避免死锁，让你的代码更健壮。
什么是互斥量？（回顾一下）
首先，简单回顾一下互斥量的作用。互斥量（mutex，mutual exclusion的缩写）是一种同步原语，用于保护共享资源，防止多个线程同时访问导致数据竞争。想象一下，你家只有一个厕所，一家人都要用。互斥量就像厕所门上的锁，谁先拿到钥匙（锁定互斥量），谁就能进去，其他人只能在外面等着。
std::mutex 的局限性
C++ 标准库提供了 std::mutex，这是最基本的互斥量。但 std::mutex 有一个限制：同一个线程不能重复锁定它。如果一个线程已经锁定了 std::mutex，然后又尝试再次锁定它，就会导致死锁。就像你已经锁了厕所门，然后又在里面想锁一次，把自己锁死在里面了！
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
std::mutex mtx;
void recursive_function(int n) {
mtx.lock();
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Entered recursive_function(" << n << ")n";
if (n > 0) {
recursive_function(n - 1); // 尝试递归锁定同一个 mutex
}
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Exiting recursive_function(" << n << ")n";
mtx.unlock();
}
int main() {
std::thread t1(recursive_function, 3);
t1.join();
return 0;
}上面的代码，如果使用 std::mutex，将会发生死锁。线程在第一次调用 mtx.lock() 后，再次调用 recursive_function 时，会尝试再次锁定同一个 std::mutex，导致线程阻塞，无法继续执行，从而导致死锁。
std::recursive_mutex：解救你的递归函数
std::recursive_mutex 就是为了解决这个问题而生的。它允许同一个线程多次锁定同一个互斥量，而不会导致死锁。每次锁定互斥量时，互斥量会记录锁定次数。只有当线程解锁互斥量的次数与锁定次数相等时，互斥量才会真正释放。
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
std::recursive_mutex mtx;
void recursive_function(int n) {
mtx.lock();
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Entered recursive_function(" << n << ")n";
if (n > 0) {
recursive_function(n - 1); // 递归锁定同一个 recursive_mutex
}
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Exiting recursive_function(" << n << ")n";
mtx.unlock();
}
int main() {
std::thread t1(recursive_function, 3);
t1.join();
return 0;
}在这个修改后的例子中，我们将 std::mutex 替换为 std::recursive_mutex。现在，线程可以安全地递归调用 recursive_function，而不会发生死锁。 每次 mtx.lock() 都会增加内部计数器，只有当 mtx.unlock() 被调用相同次数时，互斥锁才会被真正释放。
使用场景：何时需要 std::recursive_mutex？
std::recursive_mutex 主要用于以下场景：
- 递归函数： 就像上面的例子，如果你的函数会递归调用自身，并且都需要锁定同一个互斥量，那么
std::recursive_mutex就是一个不错的选择。 - 类方法相互调用： 如果一个类的多个方法都需要锁定同一个互斥量，并且这些方法之间会相互调用，那么
std::recursive_mutex也能派上用场。 - 避免不必要的重构： 有时候，为了避免死锁，你可能需要重构代码，将锁定互斥量的代码提取到一个单独的函数中。但如果使用
std::recursive_mutex，你可以避免这种重构。
示例：类方法相互调用
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
class Data {
public:
void method1() {
mtx.lock();
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Entered method1n";
method2(); // 调用另一个需要锁定同一个互斥量的方法
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Exiting method1n";
mtx.unlock();
}
void method2() {
mtx.lock();
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Entered method2n";
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Exiting method2n";
mtx.unlock();
}
private:
std::recursive_mutex mtx;
};
int main() {
Data data;
std::thread t1([&data]() { data.method1(); });
t1.join();
return 0;
}在这个例子中，method1 调用了 method2，而这两个方法都需要锁定同一个互斥量 mtx。使用 std::recursive_mutex 可以避免死锁。
注意事项：滥用有风险！
虽然 std::recursive_mutex 在某些情况下很有用，但它也存在一些缺点，需要谨慎使用：
- 性能开销：
std::recursive_mutex比std::mutex具有更高的性能开销。因为它需要维护锁定计数器，并在每次锁定和解锁时进行检查。 - 隐藏问题： 滥用
std::recursive_mutex可能会掩盖代码中的问题。例如，如果你的代码设计不合理，导致需要多次锁定同一个互斥量，那么使用std::recursive_mutex可能会暂时解决问题，但最终可能会导致更难调试的错误。 - 所有权复杂性： 在复杂的多线程环境中，跟踪哪个线程拥有
std::recursive_mutex可能会变得困难，这可能导致意外的死锁或其他同步问题。
什么时候不应该使用 std::recursive_mutex？
- 可以避免递归锁定的情况： 尽量避免设计需要递归锁定的代码。如果可以通过重构代码，避免多次锁定同一个互斥量，那么就应该优先选择这种方式。
- 性能敏感的代码： 如果你的代码对性能要求非常高，那么应该尽量避免使用
std::recursive_mutex。 - 不确定是否需要递归锁定的情况： 如果你不确定是否需要递归锁定，那么最好不要使用
std::recursive_mutex。先仔细分析代码，确定是否存在死锁的风险，再决定是否使用。
替代方案：更好的设计
很多时候，使用 std::recursive_mutex 只是一个权宜之计。更好的解决方案是重新设计代码，避免需要递归锁定的情况。以下是一些替代方案：
- 分离关注点： 将需要锁定互斥量的代码提取到一个单独的函数或类中，避免在不同的函数或类之间共享同一个互斥量。
- 使用不同的互斥量： 如果不同的函数或类需要访问不同的资源，那么可以使用不同的互斥量来保护这些资源。
- 使用无锁数据结构： 在某些情况下，可以使用无锁数据结构来避免使用互斥量。
总结
std::recursive_mutex 是一种特殊的互斥量，允许同一个线程多次锁定同一个互斥量，而不会导致死锁。它主要用于递归函数和类方法相互调用的场景。但是，std::recursive_mutex 也存在一些缺点，例如性能开销和隐藏问题。因此，应该谨慎使用 std::recursive_mutex，并尽量通过重构代码来避免需要递归锁定的情况。
std::mutex vs std::recursive_mutex：对比表格
| 特性 | std::mutex |
std::recursive_mutex |
|---|---|---|
| 锁定次数限制 | 同一个线程只能锁定一次 | 同一个线程可以多次锁定 |
| 死锁风险 | 同一个线程重复锁定会死锁 | 同一个线程重复锁定不会死锁 |
| 性能 | 性能更高 | 性能较低 |
| 使用场景 | 一般的互斥场景 | 递归函数、类方法相互调用等 |
| 复杂性 | 更简单 | 更复杂 |
| 适用性 | 适用性更广 | 适用性较窄，特定场景 |
使用 std::lock_guard 和 std::unique_lock
为了更好地管理互斥量的生命周期，建议使用 std::lock_guard 或 std::unique_lock。这两个类都提供了 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）机制，可以确保互斥量在离开作用域时自动解锁。
std::lock_guard： 简单易用，但功能有限。它在构造时锁定互斥量，在析构时解锁互斥量。std::unique_lock： 功能更强大，可以延迟锁定、尝试锁定、释放互斥量等。
#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>
std::recursive_mutex mtx;
void recursive_function(int n) {
std::unique_lock<std::recursive_mutex> lock(mtx); // 使用 unique_lock
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Entered recursive_function(" << n << ")n";
if (n > 0) {
recursive_function(n - 1);
}
std::cout << "Thread " << std::this_thread::get_id() << ": Exiting recursive_function(" << n << ")n";
// lock 在函数结束时自动解锁
}
int main() {
std::thread t1(recursive_function, 3);
t1.join();
return 0;
}在这个例子中，我们使用 std::unique_lock 来管理 std::recursive_mutex 的生命周期。当 lock 离开作用域时，互斥量会自动解锁，避免了手动解锁可能导致的错误。
总结的总结
记住，std::recursive_mutex 就像一把双刃剑，用对了能解决问题，用错了会带来更大的麻烦。在使用之前，一定要仔细评估代码，确定是否真的需要递归锁定。如果可以避免，那就尽量避免。如果必须使用，也要谨慎使用，并使用 std::lock_guard 或 std::unique_lock 来管理互斥量的生命周期。
好了，今天的讲座就到这里。希望大家对 std::recursive_mutex 有了更深入的了解。下次再见！