互斥量和條件變數是控制執行緒同步的常用手段，用來保護多執行緒同時訪問的共享資料。
c++11提供了這些操作，同時還提供了原子變數和一次呼叫的操作，用起來非常的方便。
我們在這裡只介紹如何在C++中使用這些同步機制，有關概念的介紹我們就不在這裡多說了。

互斥量

C++11中提供瞭如下4種語義的互斥量(mutex):

• std::mutex：獨佔的互斥量，不能遞迴使用。
• std::timed_mutex：帶超時的獨佔互斥量，不能遞迴使用。
• std::recursive_mutex：遞迴互斥量，不帶超時功能。
• std::recursive_timed_mutex：帶超時的遞迴互斥量。

獨佔互斥量std::mutex

這些互斥量的基本介面很相似，一般用法是通過lock()方法來阻塞執行緒，直到獲得互斥量的所有權為止。線上程獲得互斥量並完成任務之後，就必須使用unlock()來解除對互斥量的佔用，lock()和unlock()必須成對出現。try_lock()嘗試鎖定互斥量，如果成功則返回true，如果失敗則返回false，它是非阻塞的。
std::mutex的基本用法程式碼如下：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<chrono>
 

using namespace std;


std::mutex g_lock;

void func()
{
    g_lock.lock();

    std::cout<<"entered thread "<<std::this_thread::get_id()<<std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    std::cout<<"leaving thread "<<std::this_thread::get_id()<<std
 
::endl;

    g_lock.unlock();
}  

int main()
{
    std::thread t1(func);
    std::thread t2(func);
    std::thread t3(func);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return 0;
}

使用lock_guard可以簡化lock/unlock的寫法，同時也更安全，因為lock_guard在構造時會自動鎖定互斥量，而在退出作用域後進行析構時就會自動解鎖，從而保證了互斥量的正確操作，避免忘記unlock操作，因此，應儘量用lokc_guard。lock_guard用到了RAII技術，這種技術在類的建構函式中分配資源，在解構函式中釋放資源，保證資源在出了作用域之後就釋放。上面的例子使用lock_guard後會更簡潔，程式碼如下：

void func()
{
    lock_guard<std::mutex> locker(g_lock);   //出作用域之後自動解鎖
    cout<<"entered thread "<<this_thread::get_id()<<endl;
    this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    cout<<"leaving thread "<<std::this_thread::get_id()<<endl;
}

遞迴的獨佔互斥量std::recursive_mutex

遞迴鎖允許同一執行緒多次獲得該互斥鎖，可以用來解決同一執行緒需要多次獲取互斥量時死鎖的問題。一個執行緒多次獲取同一個互斥量時會發生死鎖。要解決這個死鎖的問題，一個簡單的辦法就是用遞迴鎖：std::recursive_mutex，它允許同一執行緒多次獲得互斥量。
程式碼示例：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;


struct Complex
{
    std::recursive_mutex mutex;
    int i;

    Complex():i(0){}

    void mul(int x)
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
        i*=x;
    }
    void div(int x)
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
        i/=x;

    }
    void both(int x,int y)
    {
        std::lock_guard<std::recursive_mutex> lock(mutex);
        mul(x);
        div(y);
    }
};

int main()
{
    Complex complex;
    complex.both(32,23);  //因為同一執行緒可以多次獲取同一互斥量，不會發生死鎖

    return 0;
}

需要注意的是儘量不要使用遞迴鎖好，主要原因如下：

• 需要用到遞迴鎖定的多執行緒互斥處理往往本身就是可以簡化的，允許遞迴互斥很容易放縱複雜邏輯產生，從而導致一些多執行緒同步引起的晦澀問題。
• 遞迴鎖比起非遞迴鎖，效率會低一些。
• 遞迴鎖雖然允許同一個執行緒多次獲得同一互斥量，可重複獲得的最大次數並未具體說明，一旦超過一定次數，再對lock進行呼叫就會丟擲std::system錯誤。

帶超時的互斥量

std::timed_mutex是超時的獨佔鎖，std::recursive_timed_mutex是超時的遞迴鎖，主要用在獲取鎖時超時等待功能，因為有時不知道獲取鎖需要多久，為了不至於一直在等待獲取互斥量，就設定一個等待超時時間，在超時後還可以做其他事情。
std::timed_mutex比std::mutex多了兩個超時獲取鎖的介面：try_lock_for和try_lock_until，這兩個介面是用來設定獲取互斥量的超時時間。
std::timed_mutex的基本用法如下程式碼：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;

std::timed_mutex mutex1;

void work()
{
    chrono::milliseconds timeout(100);

    while(true)
    {
        if(mutex1.try_lock_for(timeout))
        {
            cout<<this_thread::get_id()<<":do work with the mutex"<<endl;
            chrono::milliseconds sleepDuration(250);
            this_thread::sleep_for(sleepDuration);

            mutex1.unlock();
            this_thread::sleep_for(sleepDuration);

        }
        else
        {
            cout<<this_thread::get_id()<<": do work without mutex"<<endl;

            chrono::milliseconds sleepDuration(100);
            this_thread::sleep_for(sleepDuration);
        }
    }
}


int main()
{
    thread t1(work);
    thread t2(work);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在上面的例子中，通過一個while迴圈不斷地去獲取超時鎖，如果超時還沒有獲取到鎖時就休眠100毫秒，再繼續獲取超時鎖。
相比std::timed_mutex，std::recursive_timed_mutex多了遞迴鎖的功能，允許同一執行緒多次獲得互斥量。

條件變數

條件變數是C++11提供的另外一種用於等待的同步機制，它能阻塞一個或多個執行緒，直到收到另外一個執行緒發出的通知或者超時，才會喚醒當前阻塞的執行緒。條件變數需要和互斥量配合起來用。C++11提供了兩種條件變數：

• condition_variable，配合std::unique_lock<std::mutex>進行wait操作。
• condition_variable_any，和任意帶有lock、unlock語義的mutex搭配使用，比較靈活，但效率比condition_variable差一些。

可以看到condition_variable_any比condition_variable更靈活，因為它更通用，對所有的鎖都適用，而condition_variable效能更好。

條件變數的使用過程如下：

• 擁有條件變數的執行緒獲取互斥量。
• 迴圈檢查某個條件，如果條件不滿足，則阻塞直到條件滿足；如果條件滿足，則向下執行。
• 某個執行緒滿足條件執行完之後呼叫notify_one或notify_all喚醒一個或者所有的等待執行緒。

我們可以看一個經典的生產者-消費者的例子：

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
#include<condition_variable>
#include<unistd.h>
using namespace std;


mutex m_mutex;   //互斥量
int s=0;         //共享資源
condition_variable m_notempty;   //條件變數

void producer()     //生產者
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        m_mutex.lock();  //上鎖
        s++;
        cout<<"increase one ,s="<<s<<endl;
        m_mutex.unlock();
        m_notempty.notify_one();
    }
}


void consumer()     //消費者
{
    while(1)
    { 
        sleep(1);
        unique_lock<mutex> locker(m_mutex);  
        while(s==0)
        m_notempty.wait(locker);      //使用條件變數
        s--;
        cout<<"decrease one,s="<<s<<endl;


    }
}
int main()
{
    //建立執行緒
    thread thread1(producer);
    thread thread2(consumer);


    thread1.join();
    thread2.join();
}

上面的例子中，while(s==0) m_notempty.wait(locker); ，這句程式碼的意思的是當s等於0的時候，阻塞直到條件滿足時被喚醒。
我們也可以這麼用， m_notempty.wait(locker,[]{return s>0;}); ，將判斷條件放到函式裡面，意思是wait將一直阻塞，知道判斷條件滿足時，被喚醒。

原子變數

C++11提供了一個原子型別std::atomic<T>，可以使用任意型別作為模板引數，C++11內建了整型的原子變數，可以更方便地使用原子變數，使用原子變數就不需要使用互斥量來保護該變量了，因為對該變數的操作保證其是原子的，是不可中斷的。用起來更簡潔。
要做一個計時器，使用mutex時，程式碼如下：

#include<iostream>
#include<mutex>
using namespace std;



struct Counter
{
    public:
    int value;
    std::mutex m_mutex;

    void increment()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        value++;
    }

    void decrement()
    {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);
        value--;
    }

    int get()
    {
        return value;
    }
};

如果使用原子變數，就不需要再定義互斥量了，使用更簡便。

#include<iostream>
#include<mutex>
using namespace std;



struct Counter
{
    public:

    std::atomic<int> value;

    void increment()
    {
        value++;
    }

    void decrement()
    {
        value--;
    }

    int get()
    {
        return value;
    }
};

call_one/once_flag的使用

為了保證在多執行緒環境中某個函式僅被呼叫一次，比如，需要初始化某個物件，而這個物件只能初始化一次時，就可以用std::call_once來保證函式在多執行緒環境中只被呼叫一次。使用std::call_once時，需要一個once_flag作為call_one的入參，它的用法比較簡單。

#include<iostream>
#include<thread>
#include<mutex>
using namespace std;


std::once_flag flag;

void do_once()
{
    std::call_once(flag,[]{std::cout<<"Called once"<<endl;});
}


int main()
{
    std::thread t1(do_once);
    std::thread t2(do_once);
    std::thread t3(do_once);

    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
}

執行結果：

Called once