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c++多线程编程如何避免数据竞争? (std::mutex用法详解)

穿越時空

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发布时间:2026-01-10 14:07:02

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来源于php中文网

原创

std::mutex必须配合RAII机制使用,裸调用lock()/unlock()易因异常、提前return或分支遗漏导致死锁;应优先用std::lock_guard自动管理锁,避免重复lock引发未定义行为,且须确保所有数据访问路径均受保护。

c++多线程编程如何避免数据竞争? (std::mutex用法详解)

std::mutex 必须和 std::lock_guard 配合使用,裸调用 lock()/unlock() 极易出错

直接调用 mutex.lock()mutex.unlock() 是高危操作:异常、提前 return、逻辑分支遗漏都会导致 unlock 没被执行,造成死锁或资源永久占用。正确做法是依赖 RAII——用 std::lock_guard作用域开始自动加锁,离开作用域时自动解锁。

常见错误场景包括:

  • 函数中有多处 return,只在末尾 unlock
  • try-catch 中 catch 了异常但没 unlock
  • 循环内加锁后 break 跳出,忘记 unlock
std::mutex mtx;
int shared_value = 0;

void safe_increment() {
    std::lock_guard lock(mtx); // 自动构造即加锁
    ++shared_value;                         // 临界区
} // 自动析构即解锁 —— 即使此处抛异常也安全

不要对同一个 mutex 多次 lock,否则会死锁(尤其是递归场景)

std::mutex 不支持递归加锁。如果同一线程重复调用 lock(),行为是未定义的(多数实现直接阻塞自身,形成死锁)。即使你“确定”不会递归调用,编译器优化或间接调用链也可能打破这个假设。

替代方案:

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  • 重构代码,避免临界区嵌套
  • 必要时改用 std::recursive_mutex(但应视为设计警告信号)
  • std::unique_lock + try_lock() 显式控制,避免盲等

注意:std::recursive_mutex 有额外开销,且掩盖了本该被发现的同步设计缺陷。

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保护的是数据访问路径,不是变量本身;漏掉任何一处读/写就等于没保护

一个 std::mutex 只对显式用它保护的代码段起作用。如果某处修改 shared_value 没加锁,哪怕其他 99 处都加了,数据竞争依然存在。尤其容易忽略:

  • 调试打印(std::cout )
  • 结构体/类的成员函数中隐式访问共享字段
  • lambda 捕获后在新线程中直接读写
  • std::vector::push_back() 等可能触发重分配并复制元素的容器操作

建议把共享数据封装成类,将 mutex 作为私有成员,所有访问通过加锁的公有方法进行:

class Counter {
    mutable std::mutex mtx; // mutable 允许 const 成员函数中加锁
    int value = 0;
public:
    void increment() { std::lock_guard l(mtx); ++value; }
    int get() const { std::lock_guard l(mtx); return value; }
};

std::mutex 不能拷贝,只能移动;跨线程传递必须用指针或引用

std::mutex 的拷贝构造函数和赋值运算符都被删除了。试图 std::thread t(func, mtx) 会编译失败——因为 std::thread 默认按值传递参数,触发拷贝。

正确方式只有两种:

  • std::ref(mtx) 传引用:std::thread t(func, std::ref(mtx))
  • 传指针:std::thread t(func, &mtx),并在函数内用 *mtx_ptr 访问

切记:传值 = 编译错误;传 std::move(mtx) = 移动后原 mutex 失效,后续使用崩溃。

多线程里最危险的不是锁没加,而是你以为加了——比如只锁了写没锁读,或者以为全局变量天然线程安全。真正守住临界区,靠的是每次访问都过一遍「这个操作是否涉及共享状态」的检查,而不是背熟 lock_guard 的写法。

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