lock_guard和unique_lock

锁

锁用来在多线程访问同一个资源时防止数据竞险，保证数据的一致性访问。多线程本来就是为了提高效率和响应速度，但锁的使用又限制了多线程的并行执行，这会降低效率，但为了保证数据正确，不得不使用锁，它们就是这样纠缠。

本文主要讨论 c++11 中的两种锁：lock_guard 和 unique_lock。这两种锁都可以对std::mutex进行封装，实现RAII的效果。绝大多数情况下这两种锁是可以互相替代的，区别是unique_lock比lock_guard能提供更多的功能特性（但需要付出性能的一些代价）

结合锁进行线程间同步的条件变量使用，请参考条件变量 condition variable 。

lock_guard

lock_guard 通常用来管理一个 std::mutex 类型的对象，通过定义一个 lock_guard 一个对象来管理 std::mutex 的上锁和解锁。在 lock_guard 初始化的时候进行上锁，然后在 lock_guard 析构的时候进行解锁。这样避免了人为的对 std::mutex 的上锁和解锁的管理。

定义如下：

template<class Mutex> class lock_guard;

它的特点如下：
(1) 创建即加锁，作用域结束自动析构并解锁，无需手工解锁
(2) 不能中途解锁，必须等作用域结束才解锁
(3) 不能复制

注意：

lock_guard 并不管理 std::mutex 对象的声明周期，也就是说在使用 lock_guard 的过程中，如果 std::mutex 的对象被释放了，那么在 lock_guard 析构的时候进行解锁就会出现空指针错误。

示例代码如下：

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>
 
int g_i = 0;
std::mutex g_i_mutex;  
 
void safe_increment()
{
    const std::lock_guard<std::mutex> lock(g_i_mutex);
    ++g_i;
 
    std::cout << std::this_thread::get_id() << ": " << g_i << '\n';
}
 
int main()
{
    std::cout << "main: " << g_i << '\n';
 
    std::thread t1(safe_increment);
    std::thread t2(safe_increment);
 
    t1.join();
    t2.join();
 
    std::cout << "main: " << g_i << '\n';
}

输出：

main: 0
140641306900224: 1
140641298507520: 2
main: 2

unique_lock

unique_lock 和 lock_guard 一样，对 std::mutex 类型的互斥量的上锁和解锁进行管理，一样也不管理 std::mutex 类型的互斥量的声明周期。但是它的使用更加的灵活，支持的构造函数如下：

方法	说明	详细说明
unique_lock() noexcept;	默认构造函数	默认构造函数新创建的 unique_lock 对象不管理任何 Mutex 对象
explicit unique_lock(mutex_type& m);	加锁	新创建的 unique_lock 对象，管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.lock() 对 Mutex 对象进行上锁，如果此时另外某个 unique_lock 对象已经管理了该 Mutex 对象 m，则当前线程将会被阻塞。
unique_lock(mutex_type& m, try_to_lock_t tag);	尝试加锁	try-locking 初始化新创建的 unique_lock 对象，管理 Mutex 对象 m，并尝试调用 m.try_lock() 对 Mutex 对象进行上锁，但如果上锁不成功，并不会阻塞当前线程。
unique_lock(mutex_type& m, defer_lock_t tag) noexcept;	延迟加锁	deferred 初始化新创建的 unique_lock 对象，管理 Mutex 对象 m，但是在初始化的时候并不锁住 Mutex 对象。 m 应该是一个没有当前线程锁住的 Mutex 对象。
unique_lock(mutex_type& m, adopt_lock_t tag);	递归加锁	adopting 初始化新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m， m 应该是一个已经被当前线程锁住的 Mutex 对象。(并且当前新创建的 unique_lock 对象拥有对锁(Lock)的所有权)。
template <class Rep, class Period> unique_lock(mutex_type& m, const chrono::duration<Rep,Period>& rel_time);	限时锁定	locking 一段时间(duration) 新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象 m，并试图通过调用 m.try_lock_for(rel_time) 来锁住 Mutex 对象一段时间(rel_time)。
template <class Clock, class Duration> unique_lock(mutex_type& m, const chrono::time_point<Clock,Duration>& abs_time);	定时锁定	locking 直到某个时间点(time point) 新创建的 unique_lock 对象管理 Mutex 对象m，并试图通过调用 m.try_lock_until(abs_time) 来在某个时间点(abs_time)之前锁住 Mutex 对象。
unique_lock(const unique_lock&) = delete;	禁止拷贝	拷贝构造 [被禁用] unique_lock 对象不能被拷贝构造。
unique_lock(unique_lock&& x);	所有权转移	新创建的 unique_lock 对象获得了由 x 所管理的 Mutex 对象的所有权(包括当前 Mutex 的状态)。调用 move 构造之后，x 对象如同通过默认构造函数所创建的，就不再管理任何 Mutex 对象了。

简单地讲，unique_lock 是 lock_guard 的升级加强版，它具有 lock_guard 的所有功能，同时又具有其他很多方法，使用起来更强灵活方便，能够应对更复杂的锁定需要。

特点如下：

创建时可以不锁定（通过指定第二个参数为 std::defer_lock），而在需要时再锁定
可以随时加锁解锁
作用域规则同 lock_grard，析构时自动释放锁
不可复制，可移动
条件变量需要该类型的锁作为参数（此时必须使用 unique_lock）

示例代码：

#include <mutex>
#include <thread>
#include <chrono>
 
struct Box {
    explicit Box(int num) : num_things{num} {}
 
    int num_things;
    std::mutex m;
};
 
void transfer(Box &from, Box &to, int num)
{
    std::unique_lock<std::mutex> lock1(from.m, std::defer_lock);
    std::unique_lock<std::mutex> lock2(to.m, std::defer_lock);
 
    
    std::lock(lock1, lock2);
 
    from.num_things -= num;
    to.num_things += num; 
}
 
int main()
{
    Box acc1(100);
    Box acc2(50);
 
    std::thread t1(transfer, std::ref(acc1), std::ref(acc2), 10);
    std::thread t2(transfer, std::ref(acc2), std::ref(acc1), 5);
 
    t1.join();
    t2.join();
}

总结

所有 lock_guard 能够做到的事情，都可以使用 unique_lock 做到，反之则不然。

那么何时使用 lock_guard 呢？很简单，需要使用锁的时候，首先考虑使用 lock_guard。它简单、明了、易读。如果用它完全 ok，就不要考虑其他了。如果现实不允许，再使用 unique_lock 。