本文分析的是llvm libc++的实现：http://libcxx.llvm.org/
C++11中的各种mutex, lock对象，实际上都是对posix的mutex，condition的封装。不过里面也有很多细节值得学习。
std::mutex
先来看下std::mutex：
包增了一个pthread_mutex_t __m_，很简单，每个函数该干嘛就干嘛。
class mutex
{
pthread_mutex_t __m_;
public:
mutex() _NOEXCEPT {__m_ = (pthread_mutex_t)<strong>PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER</strong>;}
~mutex();
private:
mutex(const mutex&);// = delete;
mutex& operator=(const mutex&);// = delete;
public:
void lock();
bool try_lock() _NOEXCEPT;
void unlock() _NOEXCEPT;
typedef pthread_mutex_t* native_handle_type;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY native_handle_type native_handle() {return &__m_;}
};
mutex::~mutex()
{
pthread_mutex_destroy(&__m_);
}
void mutex::lock()
{
int ec = pthread_mutex_lock(&__m_);
if (ec)
__throw_system_error(ec, "mutex lock failed");
}
bool mutex::try_lock() _NOEXCEPT
{
return pthread_mutex_trylock(&__m_) == 0;
}
void mutex::unlock() _NOEXCEPT
{
int ec = pthread_mutex_unlock(&__m_);
(void)ec;
assert(ec == 0);
}
三种锁状态：std::defer_lock, std::try_to_lock, std::adopt_lock
这三个是用于标识锁在传递到一些包装类时，锁的状态：
std::defer_lock，还没有获取到锁
std::try_to_lock，在包装类构造时，尝试去获取锁
std::adopt_lock，调用者已经获得了锁
这三个东东，实际上是用于偏特化的，是三个空的struct：
struct defer_lock_t {};
struct try_to_lock_t {};
struct adopt_lock_t {};
constexpr defer_lock_t defer_lock = defer_lock_t();
constexpr try_to_lock_t try_to_lock = try_to_lock_t();
constexpr adopt_lock_t adopt_lock = adopt_lock_t();
在下面的代码里，就可以看到这三个东东是怎么用的了。
std::lock_guard
这个类比较重要，因为我们真正使用lock的时候，大部分都是要用这个。
这个类其实很简单：
在构造函数里调用 mutext.lock()，
在释构函数里，调用了mutex.unlock() 函数。
因为C++会在函数抛出异常时，自动调用作用域内的变量的析构函数，所以使用std::lock_guard可以在异常时自动释放锁，这就是为什么要避免直接使用mutex的函数，而是要用std::lock_guard的原因了。
template <class _Mutex>
class lock_guard
{
public:
typedef _Mutex mutex_type;
private:
mutex_type& __m_;
public:
explicit lock_guard(mutex_type& __m)
: __m_(__m) {__m_.lock();}
lock_guard(mutex_type& __m, adopt_lock_t)
: __m_(__m) {}
~lock_guard() {__m_.unlock();}
private:
lock_guard(lock_guard const&);// = delete;
lock_guard& operator=(lock_guard const&);// = delete;
};
注意，std::lock_guard的两个构造函数，当只传递mutex时，会在构造函数时调用mutext.lock()来获得锁。
当传递了adopt_lock_t时，说明调用者已经拿到了锁，所以不再尝试去获得锁。
std::unique_lock
unique_lock实际上也是一个包装类，起名为unique可能是和std::lock函数区分用的。
注意，多了一个owns_lock函数和release()函数，这两个在std::lock函数会用到。
owns_lock函数用于判断是否拥有锁；
release()函数则放弃了对锁的关联，当析构时，不会去unlock锁。
再看下unique_lock的实现，可以发现，上面的三种类型就是用来做偏特化用的：
template <class _Mutex>
class unique_lock
{
public:
typedef _Mutex mutex_type;
private:
mutex_type* __m_;
bool __owns_;
public:
unique_lock() _NOEXCEPT : __m_(nullptr), __owns_(false) {}
explicit unique_lock(mutex_type& __m)
: __m_(&__m), __owns_(true) {__m_->lock();}
unique_lock(mutex_type& __m, defer_lock_t) _NOEXCEPT
: __m_(&__m), __owns_(false) {}
unique_lock(mutex_type& __m, try_to_lock_t) //偏特化
: __m_(&__m), __owns_(__m.try_lock()) {}
unique_lock(mutex_type& __m, adopt_lock_t) //偏特化
: __m_(&__m), __owns_(true) {}
template <class _Clock, class _Duration>
unique_lock(mutex_type& __m, const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t)
: __m_(&__m), __owns_(__m.try_lock_until(__t)) {}
template <class _Rep, class _Period>
unique_lock(mutex_type& __m, const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d)
: __m_(&__m), __owns_(__m.try_lock_for(__d)) {}
~unique_lock()
{
if (__owns_)
__m_->unlock();
}
private:
unique_lock(unique_lock const&); // = delete;
unique_lock& operator=(unique_lock const&); // = delete;
public:
unique_lock(unique_lock&& __u) _NOEXCEPT
: __m_(__u.__m_), __owns_(__u.__owns_)
{__u.__m_ = nullptr; __u.__owns_ = false;}
unique_lock& operator=(unique_lock&& __u) _NOEXCEPT
{
if (__owns_)
__m_->unlock();
__m_ = __u.__m_;
__owns_ = __u.__owns_;
__u.__m_ = nullptr;
__u.__owns_ = false;
return *this;
}
void lock();
bool try_lock();
template <class _Rep, class _Period>
bool try_lock_for(const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d);
template <class _Clock, class _Duration>
bool try_lock_until(const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t);
void unlock();
void swap(unique_lock& __u) _NOEXCEPT
{
_VSTD::swap(__m_, __u.__m_);
_VSTD::swap(__owns_, __u.__owns_);
}
mutex_type* release() _NOEXCEPT
{
mutex_type* __m = __m_;
__m_ = nullptr;
__owns_ = false;
return __m;
}
bool owns_lock() const _NOEXCEPT {return __owns_;}
operator bool () const _NOEXCEPT {return __owns_;}
mutex_type* mutex() const _NOEXCEPT {return __m_;}
};
std::lock和std::try_lock函数
上面的都是类对象，这两个是函数。
std::lock和std::try_lock函数用于在同时使用多个锁时，防止死锁。这个实际上很重要的，因为手写代码来处理多个锁的同步问题，很容易出错。
要注意的是std::try_lock函数的返回值：
当成功时，返回-1；
当失败时，返回第几个锁没有获取成功，以0开始计数；
首先来看下只有两个锁的情况，代码虽然看起来比较简单，但里面却有大文章：
template <class _L0, class _L1>
void
lock(_L0& __l0, _L1& __l1)
{
while (true)
{
{
unique_lock<_L0> __u0(__l0);
if (__l1.try_lock()) //已获得锁l0，再尝试获取l1
{
__u0.release(); //l0和l1都已获取到，因为unique_lock在释构时会释放l0，所以要调用release()函数，不让它释放l0锁。
break;
}
}//如果同时获取l0,l1失败，这里会释放l0。
sched_yield(); //把线程放到同一优先级的调度队列的尾部，CPU切换到其它线程执行
{
unique_lock<_L1> __u1(__l1); //因为上面尝试先获取l1失败，说明有别的线程在持有l1，那么这次先尝试获取锁l1（只有前面的线程释放了，才可能获取到）
if (__l0.try_lock())
{
__u1.release();
break;
}
}
sched_yield();
}
}
template <class _L0, class _L1>
int
try_lock(_L0& __l0, _L1& __l1)
{
unique_lock<_L0> __u0(__l0, try_to_lock);
if (__u0.owns_lock())
{
if (__l1.try_lock()) //注意try_lock返回值的定义，否则这里无法理解
{
__u0.release();
return -1;
}
else
return 1;
}
return 0;
}
上面的lock函数用尝试的办法防止了死锁。
上面是两个锁的情况，那么在多个参数的情况下呢？
先来看下std::try_lock函数的实现：
里面递归地调用了try_lock函数自身，如果全部锁都获取成功，则依次把所有的unique_lock都release掉。
如果有失败，则计数失败的次数，最终返回。
template <class _L0, class _L1, class _L2, class... _L3>
int
try_lock(_L0& __l0, _L1& __l1, _L2& __l2, _L3&... __l3)
{
int __r = 0;
unique_lock<_L0> __u0(__l0, try_to_lock);
if (__u0.owns_lock())
{
__r = try_lock(__l1, __l2, __l3...);
if (__r == -1)
__u0.release();
else
++__r;
}
return __r;
}
再来看多参数的std::lock的实现：
template <class _L0, class _L1, class _L2, class ..._L3>
void
__lock_first(int __i, _L0& __l0, _L1& __l1, _L2& __l2, _L3& ...__l3)
{
while (true)
{
switch (__i) //__i用来标记上一次获取参数里的第几个锁失败，从0开始计数
{
case 0: //第一次执行时，__i是0
{
unique_lock<_L0> __u0(__l0);
__i = try_lock(__l1, __l2, __l3...);
if (__i == -1) //获取到l0之后，如果尝试获取后面的锁也成功了，即全部锁都获取到了，则设置unique_lock为release，并返回
{
__u0.release();
return;
}
}
++__i; //因为__i表示是获取第几个锁失败，而上面的try_lock(__l1,__l2__l3,...)是从l1开始的，因此这里要+1，调整到没有获取成功的锁上，下次先从它开始获取。
sched_yield();
break;
case 1: //说明上次获取l1失败，这次先获取到l1。
{
unique_lock<_L1> __u1(__l1);
__i = try_lock(__l2, __l3..., __l0); //把前一次的l0放到最后。这次先获取到了l1，再尝试获取后面的锁。
if (__i == -1)
{
__u1.release();
return;
}
}
if (__i == sizeof...(_L3) + 1) //说明把l0放到最后面时，最后获取l0时失败了。那么说明现在有其它线程持有l0，那么下一次要从l0开始获取。
__i = 0;
else
__i += 2; //因为__i表示是获取第几个锁失败，而上面的try_lock(__l2,__l3..., __l0)是从l2开始的，因此这里要+2
sched_yield();
break;
default:
__lock_first(__i - 2, __l2, __l3..., __l0, __l1); //因为这里是从l2开始的，因此__i要减2。
return;
}
}
}
template <class _L0, class _L1, class _L2, class ..._L3>
inline _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
void
lock(_L0& __l0, _L1& __l1, _L2& __l2, _L3& ...__l3)
{
__lock_first(0, __l0, __l1, __l2, __l3...);
}
可以看到多参数的std::lock的实现是：
先获取一个锁，然后再调用std::try_lock去获取剩下的锁，如果失败了，则下次先获取上次失败的锁。
重复上面的过程，直到成功获取到所有的锁。
上面的算法用比较巧妙的方式实现了参数的轮转。
std::timed_mutex
std::timed_mutex 是里面封装了mutex和condition，这样就两个函数可以用：
try_lock_for
try_lock_until
实际上是posix的mutex和condition的包装。
class timed_mutex
{
mutex __m_;
condition_variable __cv_;
bool __locked_;
public:
timed_mutex();
~timed_mutex();
private:
timed_mutex(const timed_mutex&); // = delete;
timed_mutex& operator=(const timed_mutex&); // = delete;
public:
void lock();
bool try_lock() _NOEXCEPT;
template <class _Rep, class _Period>
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
bool try_lock_for(const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d)
{return try_lock_until(chrono::steady_clock::now() + __d);}
template <class _Clock, class _Duration>
bool try_lock_until(const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t);
void unlock() _NOEXCEPT;
};
template <class _Clock, class _Duration>
bool
timed_mutex::try_lock_until(const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t)
{
using namespace chrono;
unique_lock<mutex> __lk(__m_);
bool no_timeout = _Clock::now() < __t;
while (no_timeout && __locked_)
no_timeout = __cv_.wait_until(__lk, __t) == cv_status::no_timeout;
if (!__locked_)
{
__locked_ = true;
return true;
}
return false;
}
std::recursive_mutex和std::recursive_timed_mutex
这两个实际上是std::mutex和std::timed_mutex 的recursive模式的实现，即锁得获得者可以重复多次调用lock()函数。
和posix mutex里的recursive mutex是一样的。
看下std::recursive_mutex的构造函数就知道了。
recursive_mutex::recursive_mutex()
{
pthread_mutexattr_t attr;
int ec = pthread_mutexattr_init(&attr);
if (ec)
goto fail;
ec = pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
if (ec)
{
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
goto fail;
}
ec = pthread_mutex_init(&__m_, &attr);
if (ec)
{
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
goto fail;
}
ec = pthread_mutexattr_destroy(&attr);
if (ec)
{
pthread_mutex_destroy(&__m_);
goto fail;
}
return;
fail:
__throw_system_error(ec, "recursive_mutex constructor failed");
}
std::cv_status
这个用来表示condition等待返回的状态的，和上面的三个表示lock的状态的用途差不多。
enum cv_status
{
no_timeout,
timeout
};
std::condition_variable
包装了posix condition variable。
class condition_variable
{
pthread_cond_t __cv_;
public:
condition_variable() {__cv_ = (pthread_cond_t)PTHREAD_COND_INITIALIZER;}
~condition_variable();
private:
condition_variable(const condition_variable&); // = delete;
condition_variable& operator=(const condition_variable&); // = delete;
public:
void notify_one() _NOEXCEPT;
void notify_all() _NOEXCEPT;
void wait(unique_lock<mutex>& __lk) _NOEXCEPT;
template <class _Predicate>
void wait(unique_lock<mutex>& __lk, _Predicate __pred);
template <class _Clock, class _Duration>
cv_status
wait_until(unique_lock<mutex>& __lk,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t);
template <class _Clock, class _Duration, class _Predicate>
bool
wait_until(unique_lock<mutex>& __lk,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t,
_Predicate __pred);
template <class _Rep, class _Period>
cv_status
wait_for(unique_lock<mutex>& __lk,
const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d);
template <class _Rep, class _Period, class _Predicate>
bool
wait_for(unique_lock<mutex>& __lk,
const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d,
_Predicate __pred);
typedef pthread_cond_t* native_handle_type;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY native_handle_type native_handle() {return &__cv_;}
private:
void __do_timed_wait(unique_lock<mutex>& __lk,
chrono::time_point<chrono::system_clock, chrono::nanoseconds>) _NOEXCEPT;
};
里面的函数都是符合直觉的实现，值得注意的是：
cv_status是通过判断时间而确定的，如果超时的则返回cv_status::timeout，如果没有超时，则返回cv_status::no_timeout。
condition_variable::wait_until函数可以传入一个predicate，即一个用户自定义的判断是否符合条件的函数。这个也是很常见的模板编程的方法了。
template <class _Clock, class _Duration>
cv_status
condition_variable::wait_until(unique_lock<mutex>& __lk,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t)
{
using namespace chrono;
wait_for(__lk, __t - _Clock::now());
return _Clock::now() < __t ? cv_status::no_timeout : cv_status::timeout;
}
template <class _Clock, class _Duration, class _Predicate>
bool
condition_variable::wait_until(unique_lock<mutex>& __lk,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t,
_Predicate __pred)
{
while (!__pred())
{
if (wait_until(__lk, __t) == cv_status::timeout)
return __pred();
}
return true;
}
std::condition_variable_any
std::condition_variable_any的接口和std::condition_variable一样，不同的是std::condition_variable只能使用std::unique_lock<std::mutex>，而std::condition_variable_any可以使用任何的锁对象。
下面来看下为什么std::condition_variable_any可以使用任意的锁对象。
class _LIBCPP_TYPE_VIS condition_variable_any
{
condition_variable __cv_;
shared_ptr<mutex> __mut_;
public:
condition_variable_any();
void notify_one() _NOEXCEPT;
void notify_all() _NOEXCEPT;
template <class _Lock>
void wait(_Lock& __lock);
template <class _Lock, class _Predicate>
void wait(_Lock& __lock, _Predicate __pred);
template <class _Lock, class _Clock, class _Duration>
cv_status
wait_until(_Lock& __lock,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t);
template <class _Lock, class _Clock, class _Duration, class _Predicate>
bool
wait_until(_Lock& __lock,
const chrono::time_point<_Clock, _Duration>& __t,
_Predicate __pred);
template <class _Lock, class _Rep, class _Period>
cv_status
wait_for(_Lock& __lock,
const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d);
template <class _Lock, class _Rep, class _Period, class _Predicate>
bool
wait_for(_Lock& __lock,
const chrono::duration<_Rep, _Period>& __d,
_Predicate __pred);
};
可以看到，在std::condition_variable_any里，用shared_ptr<mutex> __mut_来包装了mutex。所以一切都明白了，回顾std::unique_lock<std::mutex>，它包装了mutex，当析构时自动释放mutex。在std::condition_variable_any里，这份工作让shared_ptr<mutex>来做了。
因此，也可以很轻松得出std::condition_variable_any会比std::condition_variable稍慢的结论了。
其它的东东：
sched_yield()函数的man手册：
sched_yield() causes the calling thread to relinquish the CPU. The thread is moved to the end of the queue for its
static priority and a new thread gets to run.
在C++14里还有std::shared_lock和std::shared_timed_mutex，但是libc++里还没有对应的实现，因此不做分析。
总结
llvm libc++中的各种mutex, lock, condition variable实际上是封闭了posix里的对应实现。封装的技巧和一些细节值得细细推敲学习。
看完了实现源码之后，对于如何使用就更加清晰了。
参考：
http://en.cppreference.com/w/cpp
http://libcxx.llvm.org/