线程互斥

一.  mutex (互斥量)

     1、  多个线程同时访问共享数据时可能会冲突,这跟前⾯面讲信号时所说的可重⼊入性是同样的问题。⽐比如 两个线程都要把某个全局变量增加1,这个操作在某平台需要三条指令完成：

1）. 从内存读变量值到寄存器

2）. 寄存器的值加1

3）. 将寄存器的值写回内存

        例子：我们在“读取变量的值”和“把变量的新值保存回去”这两步操作之间插⼊入⼀一个printf调⽤用,它会执⾏行write系统调⽤用进内核,为内核调度别的线程执⾏行提供了⼀一个很好的时机。我们在⼀一个循环中重 复上述操作⼏几千次,就会观察到访问冲突的现象。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>


static g_count = 0;


void *read_write_mem(void *arg)
{
int val = 0;
int i = 0;
while(i < 5000)
{
val = g_count;
printf("pthread id is : %lu, count is : %d\n", pthread_self(), 
g_count);
g_count = val + 1;
i++;
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid1;
pthread_create(&tid1, NULL, read_write_mem, NULL);


pthread_t tid2;
pthread_create(&tid2, NULL, read_write_mem, NULL);


pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);


printf("final count is : %d\n", g_count);
return 0;


}

运行结果：

       我们创建两个线程,各⾃自把counter增加5000次,正常情况下最后counter应该等于10000,但事实上每次运⾏行该程序的结果都不⼀一样,有时候数到5000多,有时候数到6000多。

        对于多线程的程序,访问冲突的问题是很普遍的,解决的办法是引⼊入互斥锁(Mutex,MutualExclusive Lock),获得锁的线程可以完成“读-修改-写”的操作,然后释放锁给其它线程,没有获得锁的线程只能等待⽽而不能访问共享数据,这样“读-修改-写”三步操作组成⼀一个原⼦子操作,要么都执⾏行,要么都不执⾏行,不会执⾏行到中间被打断,也不会在其它处理器上并⾏行做这个操作。

2、定义：互斥锁，是一种信号量，常用来防止两个进程或线程在同一时刻访问相同的共享资源。可以保证以下三点：

    1）原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量。

    2）唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量。   

    3）非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

   从以上三点，我们看出可以用互斥量来保证对变量（关键的代码段）的排他性访问。

3、互斥锁

      1）Mutex⽤用pthread_mutex_t类型的变量表⽰示,可以这样初始化和销毁：

       int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
              const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
       pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

初始化互斥锁:

函数原型：int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mp, const pthread_mutexattr_t *mattr)

参数说明：mp 互斥锁地址    mattr  属性 通常默认 null

初始化互斥锁之前，必须将其所在的内存清零。

如果互斥锁已初始化，则它会处于未锁定状态。互斥锁可以位于进程之间共享的内存中或者某个进程的专用内存中。

2）锁定互斥锁

函数原型：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); #include pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_ mutex_lock(&mp); /* acquire the mutex */

函数说明：

当 pthread_mutex_lock() 返回时，该互斥锁已被锁定。调用线程是该互斥锁的属主。如果该互斥锁已被另一个线程锁定和拥有，则调用线程将阻塞，直到该互斥锁变为可用为止。

如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_NORMAL，则不提供死锁检测。尝试重新锁定互斥锁会导致死锁。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或未锁定，则将产生不确定的行为。

如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，则会提供错误检查。如果某个线程尝试重新锁定的互斥锁已经由该线程锁定，则将返回错误。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或者未锁定，则将返回错误。

如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE，则该互斥锁会保留锁定计数这一概念。线程首次成功获取互斥锁时，锁定计数会设置为1。线程每重新锁定该互斥锁一次，锁定计数就增加 1。线程每解除锁定该互斥锁一次，锁定计数就减小 1。 锁定计数达到 0 时，该互斥锁即可供其他线程获取。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或者未锁定，则将返回错误。

如果互斥锁类型是 PTHREAD_MUTEX_DEFAULT，则尝试以递归方式锁定该互斥锁将产生不确定的行为。对于不是由调用线程锁定的互斥锁，如果尝试解除对它的锁定，则会产生不确定的行为。如果尝试解除锁定尚未锁定的互斥锁，则会产生不确定的行为。

返回值：

pthread_mutex_lock() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。

EAGAIN：由于已超出了互斥锁递归锁定的最大次数，因此无法获取该互斥锁。

EDEADLK：当前线程已经拥有互斥锁。

3）解除锁定互斥锁

函数原型：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); 

函数说明：pthread_mutex_unlock() 可释放 mutex 引用的互斥锁对象。互斥锁的释放方式取决于互斥锁的类型属性。如果调用 pthread_mutex_unlock()时有多个线程被 mutex 对象阻塞，则互斥锁变为可用时调度策略可确定获取该互斥锁的线程。对于 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 类型的互斥锁，当计数达到零并且调用线程不再对该互斥锁进行任何锁定时，该互斥锁将变为可用。

返回值：pthread_mutex_unlock() 在成功完成之后会返回零。

其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下情况，该函数将失败并返回对应的值。

EPERM :当前线程不拥有互斥锁。

4）注：一个线程可以调⽤用pthread_mutex_lock获得Mutex,如果这时另⼀一个线程已经调用pthread_mutex_lock获得了该Mutex,则当前线程需要挂起等待,直到另⼀一个线程调用pthread_mutex_unlock释放Mutex,当前线程被唤醒,才能获得该Mutex并继续执行。如果一个线程既想获得锁,又不想挂起等待,可以调⽤用pthread_mutex_trylock,如果Mutex已经被 另一个线程获得,这个函数会失败返回EBUSY,⽽而不会使线程挂起等待。

解决上述访问冲突的问题

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>


static g_count = 0;

pthread_mutex_t mutex_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//⽤用宏定义PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来初始化,相当于 ⽤用pthread_mutex_init初始化并且attr参数为NULL。

void *read_write_mem(void *arg)
{
int val = 0;
int i = 0;
while(i < 5000)
{
pthread_mutex_lock(&mutex_lock);
val = g_count;
printf("pthread id is : %lu, count is : %d\n", pthread_self(), 
g_count);
g_count = val + 1;
i++;
pthread_mutex_unlock(&mutex_lock);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid1;
pthread_create(&tid1, NULL, read_write_mem, NULL);


pthread_t tid2;
pthread_create(&tid2, NULL, read_write_mem, NULL);


pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);


printf("final count is : %d\n", g_count);
int ret = pthread_mutex_destroy(&mutex_lock);
if(ret != 0)
{
printf("mutex destroy failed, info is : %s", strerror(ret));
}
else
printf("mutex destroy success");
return 0;


}

运行结果：