锁、避免死锁等相关

某日二师兄参加XXX科技公司的C++工程师开发岗位面试：

面试官：什么是锁？有什么作用？

二师兄：在C++中，锁（Lock）是一种同步工具，用于保护共享资源，防止多个线程同时访问，从而避免数据竞争和不一致。

面试官：有哪些锁？

二师兄：从种类上分，可以分为普通锁、读写锁、递归锁等种类。

二师兄：从实现上分，可以分为互斥锁、自旋锁、信号量、条件变量等。

面试官：互斥锁如何使用？

二师兄：在C++11之前，C++便准层面并没有定义锁，锁的应用要依赖于平台。Linux下使用pthread库中的mutex；

#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex_ = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&mutex_);
//被保护的区域
pthread_mutex_unlock(&mutex_);

二师兄：C++11引入了std::mutex，统一了各个平台上互斥锁的使用：

#include <mutex>
std::mutex mutex_;
mutex_.lock();
//被保护的区域
mutex_.unlock();

面试官：pthread_mutex和std::mutex有没有非阻塞的api？

二师兄：有的，分别是pthread_mutex_trylock()和try_lock()，当获取不到锁时这两者并不阻塞当前线程，而是立即返回。需要注意的是，当pthread_mutex_trylock()获取到锁时返回0，而std::mutex::try_lock()方法获取不到锁时返回false。

面试官：std::lock_guard和std::unique_lock用过吗？

二师兄：用过。

面试官：两者有什么相同点和不同点？

二师兄：相同点是两者都使用RAII（资源获取即初始化）技术实现的锁，支持自动上锁，自动解锁。

二师兄：不同点主要包括三个方面：

1.灵活性：std::unqiue_lock的灵活性要高于std::lock_gurad，std::unique_lock可以在任何时间解锁和锁定，而std::lock_guard在构造时锁定，在析构时解锁，不能手动控制。

2.所有权：std::unique_lock支持所有权转移，而std::lock_gurad不支持。

3.性能：由于std::unique_lock的灵活性更高，它的性能可能会稍微低一些。

面试官：能实现一个lock_gurad吗？

二师兄：我尝试一下：

class lock_guard
{
    explicit lock_guard(std::mutex& m):mutex_(m)
    {
        mutex_.lock();
    }
    ~lock_guard()
    {
        mutex_unlock();
    }
private:
    std::mutex& mutex_;
};

面试官：为什么会发生死锁？

二师兄：当进程A持有锁1请求锁2，进程B持有锁2请求锁1时，两者都不会释放自己的锁，两者都需要对方的锁，就会造成死锁。当然现实中可能比这要复杂，但原理是相同的。

面试官：如何避免死锁？

二师兄：主要从以下几个方面入手：

1.避免循环等待，如果需要在业务中获取不同的锁，保证所有业务按照相同的顺序获取锁。

// 假设有两个线程需要获取两个锁
// 锁A和B的顺序要一致
if (thread_id == 0) {
    // 线程0先获取锁A再获取锁B
    lock(A);
    lock(B);
} else {
    // 线程1先获取锁B再获取锁A
    lock(B);
    lock(A);
}

2.使用超时锁，当锁超时时，自动释放锁。

// 假设有两个线程需要获取共享资源
bool try_lock_with_timeout(resource& res, int timeout) {
    auto start_time = std::chrono::steady_clock::now();
    while (true) {
        if (res.try_lock()) {
            return true;
        }
        auto current_time = std::chrono::steady_clock::now();
        auto elapsed_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(current_time - start_time).count();
        if (elapsed_time >= timeout) {
            return false; // 超时返回false，表示未能成功获取资源
        }
    }
}
// 使用带超时机制的加锁方式获取资源
if (try_lock_with_timeout(shared_resource, 1000)) {
    // 成功获取资源，进行操作
} else {
    // 超时无法获取资源，做相应处理
}

3.使用try_lock，当锁被占用时，返回false并继续执行。

4.锁的粒度尽量要小，只保护竟态数据而不是整个流程。

面试官：知道adopt_lock_t/defer_lock_t/try_to_lock_t这三种类型的用法吗？

二师兄：额。。不知道。。

面试官：好的，回去等通知吧。

让我们来看看最后一个问题：

知道adopt_lock_t/defer_lock_t/try_to_lock_t这三种类型的用法吗？

adopt_lock_t/defer_lock_t/try_to_lock_t都是空类，主要表示std::lock_gurad和std::unqiue_lock的默认构造中的操作：

adopt_lock_t：默认互斥量已被当前线程锁定，不使用lock()方法对互斥量加锁：

std::mutex mtx_;
mtx_.lock();    //lock
{
    std::lock_guard<std::mutex> lock_(mtx_,std::adopt_lock);    //这里默认当前线程已经对mtx_加过锁
    ...
}//unlock

defer_lock_t：虽然我拥有了std::mutex的引用，但是在构造函数中并不调用lock()方法对互斥量加锁：

std::mutex mtx_;
{
    std::unique_lock<std::mutex> ulock_(mtx_,std::defer_lock);    //这里并没有加锁
    ulock_.lock();
    if(ulock_.owns_lock())
    {
        //locked
    }else
    {
        //unlocked
    }
}//if locked,unlock

try_to_lock_t：在构造函数执行是并不是使用lock()方法加锁，而是使用try_lock()方法加锁：

std::mutex mtx_;
{
    std::unique_lock<std::mutex> ulock_(mtx_,std::try_to_lock);    //这里mtx_如果没有被锁定，则加锁成功，否则加锁失败
    if(ulock_.owns_lock())
    {
        //locked
    }else
    {
        //unlocked
    }
}//if locked,unlock

adopt_lock_t可以用于std::lock_gurad和std::unique_lock，而defer_lock_t/try_to_lock_t只能用于std::unique_lock。