Mutex and Semaphore

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C++11标准在标准库中为多线程提供了组件，这意味着使用C++编写与平台无关的多线程程序成为可能，而且C++程序的可移植性也得到了有力的保证。

互斥量（Mutex）

互斥量提供了独占所有权的概念，它可以帮助程序控制对资源的访问。

一个简单的例子如下，它展示了 std::mutex 能如何用于保护共享于二个线程间的 std::map：

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#include <map>
#include <string>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>
 
std::map<std::string, std::string> g_pages;
std::mutex g_pages_mutex;
 
void save_page(const std::string &url)
{
    // 模拟长页面读取
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    std::string result = "fake content";
 
    std::lock_guard<std::mutex> guard(g_pages_mutex);
    g_pages[url] = result;
}
 
int main() 
{
    std::thread t1(save_page, "http://foo");
    std::thread t2(save_page, "http://bar");
    t1.join();
    t2.join();
 
    // 现在访问g_pages是安全的，因为线程t1/t2生命周期已结束
    for (const auto &pair : g_pages) {
        std::cout << pair.first << " => " << pair.second << '\n';
    }
}

输出为：

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http://bar => fake content
http://foo => fake content

信号量（Semaphore）

信号量是一个计数器，它限制了并发访问同一资源的线程数量。

在创建信号量时计数器的值总是在0和最大值之间。当计数器的值严格大于0时，对Wait()的调用会立刻返回，并且计数器的值减一；当计数器的值为0时，对Wait()的调用会阻塞。对于阻塞的信号量，只有Signal()调用后，计数器的值重新大于0时才返回。

简单来说，信号量适用场景非常典型——同一时刻只有固定数量消费者访问共享资源。举个栗子，信号量可以表示一个酒店可预订房间数，房间被预定代表一次对信号量Wait()的调用，而退房的操作即是对Signal()的调用。

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#pragma once

#include <mutex>
#include <condition_variable>

// Simplest implementation
class Semaphore {
public:
  explicit Semaphore(int count = 0) : count_(count) {
  }

  void Signal() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    ++count_;
    cv_.notify_one();
  }

  void Wait() {
    std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
    cv_.wait(lock, [=] { return count_ > 0; });
    --count_;
  }

private:
  std::mutex mutex_;
  std::condition_variable cv_;
  int count_;
};

下面是一些测试。

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//io操作锁
std::mutex g_io_mutex;
//信号量本身是一个全局对象，count 为 1，一次只允许一个线程访问：
Semaphore g_semaphore(1);

void Worker() {
  g_semaphore.Wait();

  std::thread::id thread_id = std::this_thread::get_id();

  std::string now = FormatTimeNow("%H:%M:%S");
  {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(g_io_mutex);
    std::cout << "Thread " << thread_id << ": wait succeeded" 
        << " (" << now << ")" << std::endl;
  }

  //模拟数据处理
  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));

  g_semaphore.Signal();
}

std::string FormatTimeNow(const char* format) {
  auto now = std::chrono::system_clock::now();
  std::time_t now_c = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
  std::tm* now_tm = std::localtime(&now_c);

  char buf[20];
  std::strftime(buf, sizeof(buf), format, now_tm);
  return std::string(buf);
}

int main() {
  const std::size_t SIZE = 3;

  std::vector<std::thread> v;
  v.reserve(SIZE);

  for (std::size_t i = 0; i < SIZE; ++i) {
    v.emplace_back(&Worker);
  }

  for (std::thread& t : v) {
    t.join();
  }
  
  return 0;
}

输出为：

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//每个线程相隔一秒，即一次只允许一个线程访问。
Thread 1d38: wait succeeded (13:10:10)
Thread 20f4: wait succeeded (13:10:11)
Thread 2348: wait succeeded (13:10:12)