Linux环境下 解决线程共享资源冲突 —— 互斥锁（代码实现及底层原理）

为了保护这些共享资源在被使用的时候，不会受到其他线程的影响，因此我们要为临界区加锁。c++11已经支持了互斥锁mutex，mutex本质上还是封装了pthread库中原生的互斥锁，下面要介绍的是pthread库提供的原生互斥锁，pthread库的互斥锁更底层，更接近系统级调用。

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目录

一、互斥锁相关函数

1、创建锁

2、初始化锁 pthread_mutex_init

3、销毁锁 pthread_mutex_destroy

4、上锁 pthread_mutex_lock、解锁 pthread_mutex_unlock

二、互斥锁解决资源冲突

三、互斥锁的底层原理

1、锁创建成功并初始化以后

2、加锁和解锁的简单理解

3、互斥锁总结

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一、互斥锁相关函数

pthread给我们提供了“互斥锁”这种数据类型 —— pthread_mutex_t，除此之外还有初始化锁、加锁、解锁、销毁锁等相关的函数。

1、创建锁

(1) 方式一：仅仅只是创建锁

这步其实就是在声明一个锁的变量

pthread_mutex_t mtx;    //创建一把锁

(2) 方式二：创建锁+初始化锁一步到位

 一般在main函数中创建然后把锁的地址传递给子线程，或者直接在最前面加一个static，这样的话就不是在主线程的栈上开辟，而是在静态区开辟，无需传递锁的地址，因为所有的线程都能访问到静态区。

2、初始化锁 pthread_mutex_init

创建出锁以后，需要给这把锁初始化，你可以理解为设置锁的密码。

第一个参数指的是要给哪个锁初始化；第二个参数是设置锁的属性，这个老样子，我们不懂，交由pthread库决定，一般设置为NULL

返回值：成功返回0，失败返回一个错误码

3、销毁锁 pthread_mutex_destroy

现在我们不需要这个锁了，我们要把这个锁销毁，注意！销毁锁 ≠ 解锁

参数就是你要销毁哪把锁；返回值：成功返回0，失败返回一个错误码

4、上锁 pthread_mutex_lock、解锁 pthread_mutex_unlock

这两个函数的参数都一样，都指的是要使用哪把锁；成功返回0，失败返回错误码

这两个函数一般需要搭配使用

pthread_mutex_t mtx;
pthread_mutex_lock(&mtx);    //加锁

//...受到锁保护的临界区

pthread_mutex_lock(&mtx);    //解锁

二、互斥锁解决资源冲突

现在我们来解决之前的抢票问题

=======================主线程 =======================

=======================子线程 =======================

测试结果如下，此时留意一下线程ID，你会发现最后900张票都是一个线程抢的，这是因为没有了其他线程的干扰，一个线程能完整的走完自己的时间片，一个线程的时间片虽然短，但是能抢一批

 三、互斥锁的底层原理

你是否注意到，我们在上述过程中只用了一把锁，要达到互斥的目的，那就要求所有的线程都能看到这把锁，也就是说 互斥锁 也是临界资源，既然所有的线程都能申请锁，那不就乱套了吗？

答案是并不会，并不是所有的线程都能申请成功！

1、锁创建成功并初始化以后

当我们把锁创建出来，并初始化以后，内存中就会有一个变量叫做mutex，此时mutex = 1，先这么理解，谁拿到这个 1，就代表谁拥有锁！此时很显然，内存持有锁

2、加锁和解锁的简单理解

(1) 加锁

======================线程A申请锁======================

假设一个线程A申请锁的时候，实际上站在汇编的角度执行的就是下面的内容

第一步，movb 在汇编中表示赋值，后者赋值给前者，%al 代表CPU里的寄存器，$0 代表0。当线程A申请锁的时候，先把 0 放到寄存器中 (初始化寄存器)。

第二步，xchgb 在汇编中表示交换，前者的值和后者交换，%al表示CPU里的寄存器，mutex表示上面创建的变量。将寄存器中%al的值和内存中mutex的值交换。

第三步，此时是线程A被调度，在A的时间片内，%al寄存器是A私有的，里面的数据也是，这就表明线程A 持有锁，此时寄存器的值大于0，可以访问临界区。这是申请成功的情况。

======================线程B申请锁======================

线程A 的时间片到了，但是A没有解锁，此时线程A会把 %al 里的值 也就是 1 放到自己的PCB里，排到队尾。然后线程B来申请锁了。

第一步，此时线程B被调度，%al是线程B私有的，依然是先把 %al 的值赋值为 0，然后和 内存的mutex交换。但是mutex = 0说明此时锁不在内存手里，%al交换以后依然为0

第二步，寄存器%al的值为0，if语句条件不通过，此时线程B就会被挂起，无法访问临界区。这是申请失败的情况。

 (2) 解锁

现在线程A来解锁了，解锁对应的汇编内容如下

 此时把mutex的值赋值为1，也就是把锁还给内存中的mutex变量，然后环形等待mutex的线程。比如唤醒线程B，然后线程B就会去执行上面申请锁的汇编语句。

3、互斥锁总结

使用互斥锁的代码可以简化为下面这个模型

如果线程在向下执行的过程中，申请了锁，如果成功，那么你就可以访问临界区；但是！如果线程申请失败了，那么该线程会被挂起，不会跳过加锁的区域，然后向下运行。

如果线程在向下执行的过程中，因为ｉｆ语句条件不通过，导致没有申请锁这个过程，那么该线程就不会被挂起

＝＝》只有申请了锁，而且申请失败了，那么这个线程就会被挂起，直到上一个线程解锁以后才会被唤醒