互斥量和临界区

为什么需要互斥量？

大部分情况下，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址在线程栈空间内，这种情况下，变量属于单个线程，其他线程无法获取这种变量。

如果所有的变量都是如此，将会省去无数的麻烦。但实际的情况是，很多变量都是多个线程共享的，这样的变量称为共享变量。可以通过数据得到共享，完成多个线程之间的交互与通信。

但是多个线程并发的操作共享变量会带来问题。

++操作，并不是一个原子操作（atomic operation），而是对应了如下三条汇编指令。

·Load：将共享变量global_cnt从内存加载进寄存器，简称L。
·Update：更新寄存器里面的global_cnt值，执行加1操作，简称U。
·Store：将新的值，从寄存器写回到共享变量global_cnt的内存地址，简称为S。

多线程在不加锁的情况下访问共享资源会产生难以预料的结果

应该避免多个线程同时操作共享变量，对于共享变量的访问，包括读写，都必须被限制为每次只有一个线程来执行。
锁是一个普遍的需求，但是让用户从零开始实现一个正确的锁也并不容易。正是因为这种需求具有普遍性，所以Linux提供了互斥量。

互斥量的接口

1.互斥量的初始化

互斥量采用的是英文mutual exclusive的缩写，即mutex。

正确的使用互斥量来保护共享数据，首先要定义和初始化互斥量。POSIX提供了两种初始化互斥量的方法。

第一种方法是将PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER赋值给定义的互斥量如下：

    #include <pthread.h>
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

如果互斥量是动态分配的，或者需要设定互斥量的属性，那么上面静态初始化的方法就不适用了，NPTL提供了另外的函数pthread_mutex_init()对互斥量进行动态的初始化：

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

第二个pthread_mutexattr_t指针的入参，是用来设定互斥量的属性的，传递NULL即可，表示使用互斥量的默认属性。

调用pthrerad_mutex_init()之后，互斥量处于没有加锁的状态。

2.互斥量的销毁

在确定不再需要互斥量的时候，就要销毁它。但是在销毁之前，有三点要注意：

• 使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化的互斥量无须销毁
• 不要销毁一个已加锁的互斥量，或者是真正配合条件变量使用的互斥量
• 已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程在尝试加锁

销毁互斥量的接口如下：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

当互斥量处于已加锁的状态，或者正在和条件变量配合使用，调用pthread_mutex_destroy函数会返回EBUSY错误码。

3.互斥量的加锁和解锁

POSIX提供了如下的接口：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

临界区的大小

现在我们已经意思到需要用锁来保护共享变量。不过还另有一个需要注意的事项，即合理地设定临界区的范围。

第一临界区的范围不能太小，如果太小，可能起不到保护的目的。考虑如下的场景，如果哈希表中不存在某元素，那么向哈希表中插入某元素，代码如下：

if(!htable_contain(hashtable,elem.key))
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
htable_insert(hashtable,&elem);
pthread_mutex_lock(&mutex);
}

从表面上看，哈希表是互斥的，插入时有锁的保护，但是对于是否有相同的元素的判断却没有加锁(即临界区较小)，不能够达到预期的目的。当然临界区也不能太大，临界区的代码不能并行，如果临界区太大就会无法发挥多处理器多线程的优势。