一、基礎(chǔ)概念：鎖的核心分類

在講解具體工具前，先明確C++鎖的兩個(gè)核心維度：

1. 基礎(chǔ)鎖類型（提供原始的加鎖/解鎖能力）：std::mutex、std::recursive_mutex、std::timed_mutex、std::recursive_timed_mutex；
2. RAII鎖封裝（管理基礎(chǔ)鎖的生命周期，避免手動(dòng)解鎖漏解/死鎖）：std::lock_guard、std::unique_lock、std::scoped_lock（C++17）。

二、基礎(chǔ)鎖類型（原始鎖）

這類鎖是“底層同步工具”，提供lock()、unlock()、try_lock()等核心方法，但不建議直接使用（手動(dòng)解鎖易出錯(cuò)），需配合RAII封裝使用。

基礎(chǔ)鎖使用示例（不推薦直接用，僅演示）

#include <mutex>
#include <iostream>
std::mutex m;

void bad_use() {
    m.lock(); // 手動(dòng)加鎖
    std::cout << "臨界區(qū)操作" << std::endl;
    // 若此處拋異常，unlock()不會(huì)執(zhí)行 → 死鎖！
    m.unlock(); // 手動(dòng)解鎖
}

核心問題：手動(dòng)管理lock()/unlock()易因異常、邏輯分支遺漏解鎖，導(dǎo)致死鎖——這也是RAII封裝的核心價(jià)值。

三、RAII鎖封裝（推薦使用）

RAII（資源獲取即初始化）的核心思想：構(gòu)造時(shí)獲取資源，析構(gòu)時(shí)釋放資源。鎖封裝會(huì)在構(gòu)造函數(shù)中調(diào)用lock()（或接管已鎖定的鎖），析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用unlock()，無論函數(shù)正常退出還是異常退出，鎖都會(huì)被釋放。

1. std::lock_guard（極簡RAII鎖，C++11）

核心特性

• 不可移動(dòng)、不可復(fù)制，生命周期與作用域綁定；
• 構(gòu)造時(shí)必須指定鎖，且默認(rèn)立即加鎖；
• 析構(gòu)時(shí)自動(dòng)解鎖，無其他額外功能（極簡、高效）；
• 不支持手動(dòng)解鎖、不支持超時(shí)、不支持延遲加鎖。

使用示例（最常用場景）

#include <mutex>
#include <list>
std::list<int> data;
std::mutex m;

void safe_add(int val) {
    // 構(gòu)造時(shí)加鎖，函數(shù)結(jié)束析構(gòu)時(shí)解鎖
    std::lock_guard<std::mutex> guard(m);
    data.push_back(val); // 臨界區(qū)操作，線程安全
}

進(jìn)階用法：接管已鎖定的鎖（std::adopt_lock）

當(dāng)鎖已被std::lock()手動(dòng)鎖定時(shí)，用std::adopt_lock標(biāo)記告訴lock_guard“鎖已鎖定，只需接管解鎖責(zé)任”：

void swap_data(std::list<int>& a, std::list<int>& b, std::mutex& m1, std::mutex& m2) {
    if (&a == &b) return;
    std::lock(m1, m2); // 同時(shí)鎖定兩個(gè)鎖，避免死鎖
    // adopt_lock：不重復(fù)加鎖，僅接管解鎖
    std::lock_guard<std::mutex> g1(m1, std::adopt_lock);
    std::lock_guard<std::mutex> g2(m2, std::adopt_lock);
    a.swap(b); // 臨界區(qū)操作
}

適用場景

• 簡單的“作用域內(nèi)加鎖”場景，無需手動(dòng)控制鎖的生命周期；
• 追求極致性能（無額外開銷），只需“加鎖→操作→解鎖”的固定流程。

2. std::unique_lock（靈活RAII鎖，C++11）

核心特性

• 不可復(fù)制、可移動(dòng)，生命周期可手動(dòng)控制；
• 支持延遲加鎖（構(gòu)造時(shí)不加鎖，后續(xù)手動(dòng)lock()）；
• 支持手動(dòng)解鎖（unlock()）、重新加鎖（lock()）；
• 支持超時(shí)加鎖（try_lock_for()、try_lock_until()，需配合timed_mutex）；
• 支持std::adopt_lock接管已鎖定的鎖；
• 性能略高于lock_guard（但可忽略），功能遠(yuǎn)更靈活。

核心用法示例

（1）延遲加鎖（std::defer_lock）

#include <mutex>
std::timed_mutex tm;

void flexible_lock() {
    // defer_lock：構(gòu)造時(shí)不加鎖，僅關(guān)聯(lián)鎖對象
    std::unique_lock<std::timed_mutex> ul(tm, std::defer_lock);
    
    // 手動(dòng)加鎖（也可嘗試超時(shí)加鎖）
    if (ul.try_lock_for(std::chrono::seconds(1))) {
        std::cout << "獲取鎖成功，執(zhí)行臨界區(qū)操作" << std::endl;
        ul.unlock(); // 手動(dòng)解鎖（可提前釋放鎖，提高并發(fā)）
        // ... 其他非臨界區(qū)操作
        ul.lock(); // 重新加鎖
    } else {
        std::cout << "1秒內(nèi)未獲取鎖，執(zhí)行降級(jí)邏輯" << std::endl;
    }
    // 析構(gòu)時(shí)：如果鎖仍被持有，自動(dòng)解鎖
}

（2）配合條件變量（唯一適用場景）

std::condition_variable的wait()方法必須接收std::unique_lock（因?yàn)?code>wait()會(huì)臨時(shí)解鎖，被喚醒后重新加鎖，lock_guard無此能力）：

#include <mutex>
#include <condition_variable>
#include <queue>

std::queue<int> q;
std::mutex m;
std::condition_variable cv;

void producer(int val) {
    std::lock_guard<std::mutex> lg(m);
    q.push(val);
    cv.notify_one(); // 通知消費(fèi)者
}

void consumer() {
    std::unique_lock<std::mutex> ul(m);
    // wait()會(huì)解鎖，等待通知；被喚醒后重新加鎖，再判斷條件
    cv.wait(ul, [](){ return !q.empty(); });
    int val = q.front();
    q.pop();
    ul.unlock(); // 提前解鎖，提高并發(fā)
    std::cout << "消費(fèi)：" << val << std::endl;
}

適用場景

• 需要手動(dòng)控制鎖的生命周期（提前解鎖、重新加鎖）；
• 需要超時(shí)等待鎖的場景；
• 配合std::condition_variable使用（唯一選擇）；
• 復(fù)雜的加鎖邏輯（如條件加鎖、動(dòng)態(tài)解鎖）。

3. std::scoped_lock（C++17，lock_guard的升級(jí)版）

核心特性

• 不可移動(dòng)、不可復(fù)制，作用域綁定；
• 支持同時(shí)鎖定多個(gè)鎖（內(nèi)置std::lock()的死鎖避免邏輯）；
• 性能與lock_guard一致，語法更簡潔；
• 可視為“多鎖版本的lock_guard”。

使用示例（替代lock_guard+std::lock）

#include <mutex>
#include <list>

std::list<int> a, b;
std::mutex m1, m2;

void safe_swap() {
    // 同時(shí)鎖定m1和m2，自動(dòng)避免死鎖，析構(gòu)時(shí)同時(shí)解鎖
    std::scoped_lock guard(m1, m2);
    a.swap(b); // 臨界區(qū)操作
}

對比舊寫法（lock_guard+std::lock）：

std::lock(m1, m2);
std::lock_guard<std::mutex> g1(m1, std::adopt_lock);
std::lock_guard<std::mutex> g2(m2, std::adopt_lock);

scoped_lock一行搞定，更簡潔、不易出錯(cuò)。

適用場景

• 需要同時(shí)鎖定多個(gè)鎖的場景（替代std::lock + lock_guard）；
• C++17及以上環(huán)境，優(yōu)先選擇scoped_lock而非lock_guard（功能更強(qiáng)，無性能損失）。

四、其他鎖相關(guān)工具

1. std::call_once（單次調(diào)用鎖）

• 核心作用：保證某個(gè)函數(shù)在多線程環(huán)境下僅執(zhí)行一次（比如單例的初始化）；
• 底層依賴std::once_flag，比手動(dòng)加鎖判斷更高效、更安全。

使用示例

#include <mutex>
#include <iostream>

std::once_flag flag;
void init() {
    std::cout << "僅執(zhí)行一次的初始化邏輯" << std::endl;
}

void thread_func() {
    std::call_once(flag, init); // 多線程調(diào)用，init僅執(zhí)行一次
}

2. std::shared_mutex / std::shared_lock（C++17，讀寫鎖）

• 核心思想：區(qū)分“讀操作”和“寫操作”，允許多個(gè)讀線程同時(shí)持有鎖，寫線程獨(dú)占鎖（提高讀多寫少場景的并發(fā)）；
  • std::shared_lock：共享鎖（讀鎖），多個(gè)線程可同時(shí)持有；
  • std::unique_lock：獨(dú)占鎖（寫鎖），僅一個(gè)線程持有。

使用示例

#include <shared_mutex>
#include <string>
#include <iostream>

std::string data = "初始數(shù)據(jù)";
std::shared_mutex sm;

// 讀線程：共享鎖
void read_data(int id) {
    std::shared_lock<std::shared_mutex> sl(sm);
    std::cout << "讀線程" << id << "：" << data << std::endl;
}

// 寫線程：獨(dú)占鎖
void write_data(const std::string& new_data) {
    std::unique_lock<std::shared_mutex> ul(sm);
    data = new_data;
    std::cout << "寫線程：更新數(shù)據(jù)為" << new_data << std::endl;
}

優(yōu)勢：讀多寫少場景下，并發(fā)效率遠(yuǎn)高于普通互斥鎖（普通鎖無論讀寫都獨(dú)占）。

3. std::lock（通用鎖函數(shù)）

• 核心作用：原子地鎖定多個(gè)鎖，避免死鎖（內(nèi)部實(shí)現(xiàn)按地址排序鎖定）；
• 配合lock_guard/unique_lock的adopt_lock使用（C++17前）；
• C++17后優(yōu)先用scoped_lock，無需手動(dòng)調(diào)用std::lock。

五、核心對比與選型建議

選型口訣

1. C++17及以上：優(yōu)先用scoped_lock（單鎖/多鎖），復(fù)雜邏輯用unique_lock；
2. C++11/14：單鎖用lock_guard，多鎖用std::lock + lock_guard，復(fù)雜邏輯用unique_lock；
3. 讀多寫少：用std::shared_mutex + shared_lock/unique_lock；
4. 單次初始化：用std::call_once；
5. 條件變量：必須用unique_lock。

六、總結(jié)

1. 基礎(chǔ)鎖：std::mutex是核心，遞歸場景用recursive_mutex，超時(shí)場景用timed_mutex；
2. RAII封裝：
   • 簡單場景：lock_guard（C++11/14）/scoped_lock（C++17+）；
   • 復(fù)雜場景：unique_lock（靈活、支持條件變量/超時(shí)）；
3. 特殊場景：
   • 讀多寫少：shared_mutex + shared_lock；
   • 單次執(zhí)行：call_once；
4. 核心原則：永遠(yuǎn)用RAII封裝管理鎖，避免手動(dòng)lock()/unlock()，防止死鎖。

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