概述
互斥锁(mutex)是线程间同步的基本原语——保证同一时刻只有一个线程访问临界区。C++ 提供了从简单的 mutex 到读写锁 shared_mutex，配合 RAII 锁定包装器（lock_guard、unique_lock、shared_lock）自动管理锁的生命周期。条件变量(condition_variable)实现等待-通知模式。
C++20 新增 semaphore、latch、barrier 等高级同步原语。
核心组件
锁类型
| 组件 | 说明 |
|---|---|
mutex | 基本互斥锁，lock()/unlock() |
recursive_mutex | 同一线程可重复加锁 |
timed_mutex | 支持超时的 mutex |
shared_mutex (C++17) | 读写锁，多读单写 |
lock_guard | RAII 自动加锁/解锁，不可手动解锁 |
unique_lock | 灵活 RAII，可延迟加锁、提前解锁、转移所有权 |
shared_lock (C++17) | shared_mutex 的 RAII 读锁 |
scoped_lock (C++17) | 同时锁定多个 mutex（避免死锁） |
条件变量与信号
| 组件 | 说明 |
|---|---|
condition_variable | 等待-通知，wait()/notify_one()/notify_all() |
semaphore (C++20) | 计数信号量，acquire()/release() |
latch (C++20) | 一次性屏障（倒计时到零释放所有线程） |
barrier (C++20) | 可重用屏障（阶段同步） |
典型用法
lock_guard —— 最简互斥
FUNCTION demo_lock_guard:
mtx = MUTEX()
counter = 0
increment = LAMBDA:
guard = LOCK_GUARD(mtx) // 构造加锁
counter = counter + 1 // 临界区
// guard 析构时自动解锁
END LAMBDA
threads = LIST<THREAD>()
FOR i = 1 TO 10:
threads.PUSH(THREAD(increment))
END FOR
FOR t IN threads: t.JOIN()
PRINT counter // 始终为 10
unique_lock + 条件变量
FUNCTION demo_cv:
mtx = MUTEX()
cv = CONDITION_VARIABLE()
data = 0
ready = false
// 等待线程
waiter = THREAD(LAMBDA:
lock = UNIQUE_LOCK(mtx)
cv.WAIT(lock, LAMBDA: RETURN ready) // 等待 ready
PRINT "收到:", data
)
// 通知线程
mtx.LOCK()
data = 42
ready = true
mtx.UNLOCK()
cv.NOTIFY_ONE() // 唤醒等待线程
waiter.JOIN()
shared_mutex —— 读写锁
FUNCTION demo_rwlock:
rw = SHARED_MUTEX()
cache = MAP<INT, STRING>()
reader = LAMBDA:
lock = SHARED_LOCK(rw) // 共享锁（读）
val = cache[KEY] // 多个读者可同时持有
END LAMBDA
writer = LAMBDA:
lock = UNIQUE_LOCK(rw) // 独占锁（写）
cache[KEY] = new_value // 写者独占
END LAMBDA
latch —— 一次性同步点
FUNCTION demo_latch:
done_latch = LATCH(5) // 计数 5
FOR i = 0 TO 4:
ASYNC(LAMBDA(id = i):
DO_WORK(id)
done_latch.COUNT_DOWN() // 减 1
)
END FOR
done_latch.WAIT() // 计数到 0 后继续
PRINT "全部完成"