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C++ 线程安全(Thread Safety)是什么?(如何使用 mutex 保护共享数据)

穿越時空

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发布时间:2026-02-11 14:59:28

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来源于php中文网

原创

正确使用 std::mutex 需固定加锁顺序、避免嵌套调用、优先用 std::scoped_lock,仅保护真正并发读写的非原子数据,注意 shared_mutex 适用场景及 lock_guard 必须为栈对象。

c++ 线程安全(thread safety)是什么?(如何使用 mutex 保护共享数据)

std::mutex 怎么用才不会死锁

加锁不是套个 std::lock_guard 就完事,常见死锁发生在多个 mutex 按不同顺序加锁时。比如线程 A 先锁 mtx_a 再锁 mtx_b,线程 B 反过来先锁 mtx_b 再锁 mtx_a,两线程卡住互等。

实操建议:

  • 所有需要同时操作的共享资源,统一按固定地址顺序加锁(例如比较 &mtx_a ,总是先锁地址小的那个)
  • 避免在持有锁期间调用可能间接加锁的函数(如虚函数、回调、第三方库接口)
  • 优先用 std::scoped_lock 而非多个 std::lock_guard:它能自动按安全顺序加多个锁,且异常安全
  • 调试时开启 -D_GLIBCXX_DEBUG(libstdc++)或使用 TSan(ThreadSanitizer),能捕获部分锁序问题

哪些数据必须用 mutex 保护

不是所有变量都需要锁——只有被多个线程**并发读写**的非原子对象才真正需要。只读共享数据(如配置字符串)通常不用锁;std::atomic 类型的计数器也不需要额外 mutex。

容易踩的坑:

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  • std::vectorpush_back()size() 不是原子操作,多线程增删查必须整体包裹在同一个 std::mutex
  • 看似“只读”的结构体,如果其成员指针指向的数据会被其他线程修改,那这个“读”其实隐含了对目标内存的访问,仍需同步
  • STL 容器迭代器失效规则在线程间不成立:一个线程调用 erase(),另一个线程用旧迭代器访问,属于未定义行为,哪怕加了锁也救不了——必须确保访问和修改由同一把锁保护

std::mutex 和 std::shared_mutex 性能差多少

读多写少场景下,std::shared_mutex(C++17)允许并发读,但写操作仍会阻塞所有读写。实测中,纯读吞吐可提升 2–5 倍,但写操作延迟略高,且构造/析构开销更大。

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使用条件:

  • 读操作远多于写操作(比如缓存查找 vs 缓存更新)
  • 读操作本身耗时明显(不能是几个指令就完事的简单计算)
  • 编译器支持 C++17 且标准库实现靠谱(MSVC 2019+、GCC 8+、Clang 7+ 较稳;老版本 std::shared_mutex 可能退化为独占锁)
  • 注意 std::shared_lockstd::unique_lock 的语义区别:前者允许多个共存,后者排他,混用时别错用类型

为什么 lock_guard 析构没释放锁

典型现象是程序 hang 在某个 std::mutex::lock() 调用上,而你以为前面的 std::lock_guard 已经自动解锁了。根本原因通常是:该 lock_guard 对象生命周期提前结束(比如被 return 或异常中断),或者你误用了指针或静态对象导致析构时机失控。

排查要点:

  • 确认 std::lock_guard 是栈上对象,不是 new 出来的指针(堆对象不会自动析构)
  • 检查作用域是否被意外截断(比如 if 分支里声明,但逻辑跑到了 else)
  • 若函数有多个 return,确保每个出口前都已进入锁的作用域,或改用 RAII 更稳妥的写法
  • 不要手动调用 mtx.unlock() —— 这会破坏 RAII,且和 lock_guard 析构冲突,引发未定义行为

线程安全的本质不是“加了锁就万事大吉”,而是明确每块内存的访问契约:谁读、谁写、何时可见、是否允许并发。mutex 只是履行契约的工具之一,用错地方比不用还危险。

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