Linux线程概念及常用接口（2）互斥-优快云博客

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目录

Linux线程互斥

进程线程间的互斥相关背景概念

互斥量mutex

互斥量的接口

互斥量实现原理探究

可重入VS线程安全

概念

常见的线程不安全的情况

常见的线程安全的情况

常见不可重入的情况

常见可重入的情况

可重入与线程安全联系

可重入与线程安全区别

Linux线程互斥

进程线程间的互斥相关背景概念

临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用
原子性（后面讨论如何实现）：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。

互斥量mutex

大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

我们使用以下的模拟抢票的代码来理解一下为什么要互斥：
// 操作共享变量会有问题的售票系统代码 
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <pthread.h> 
 
int ticket = 100; 
 
void *route(void *arg) 
{ 
 char *id = (char*)arg; 
 while ( 1 ) { 
 if ( ticket > 0 ) { 
 usleep(1000); 
 printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); 
 ticket--; 
 } else { 
 break; 
 } 
 }
  return NULL; 
 }
 
int main( void ) 
{ 
 pthread_t t1, t2, t3, t4; 
 
 pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1"); 
 pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2"); 
 pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3"); 
 pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4"); 
 
 pthread_join(t1, NULL); 
 pthread_join(t2, NULL);
 pthread_join(t3, NULL); 
 pthread_join(t4, NULL);
 return 0; 
}  
这段代码的代码本身还是很好理解的，无非就是4个线程在那里进行抢票，但是我们看运行结果的时候就会发现：为什么会有两个2呢？为什么会抢到负数呢？可以由以下几点来解释：

if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程
usleep 这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段
ticket-- 操作本身就不是一个原子操作

取出ticket--部分的汇编代码
objdump -d a.out > test.objdump 
152 40064b: 8b 05 e3 04 20 00 mov 0x2004e3(%rip),%eax # 600b34 <ticket> 
153 400651: 83 e8 01 sub $0x1,%eax 
154 400654: 89 05 da 04 20 00 mov %eax,0x2004da(%rip) # 600b34 <ticket> 
-- 操作并不是原子操作，而是对应三条汇编指令：

load ：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中
update : 更新寄存器里面的值，执行-1操作
store ：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址

要解决以上问题，需要做到三点：

代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区
如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量。

互斥量的接口

初始化互斥量

初始化互斥量有两种方法：

方法1，静态分配:
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 
方法2，动态分配:
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict 
attr); 
 参数： 
 mutex：要初始化的互斥量 
 attr：NULL 
销毁互斥量

销毁互斥量需要注意：

使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
不要销毁一个已经加锁的互斥量
已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；
互斥量加锁和解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); 
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); 
返回值:成功返回0,失败返回错误号 
调用 pthread_ lock 时，可能会遇到以下情况:

互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

改进上面的售票系统:
#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <pthread.h> 
#include <sched.h> 
 
int ticket = 100; 
pthread_mutex_t mutex; 
 
void *route(void *arg) 
{ 
 char *id = (char*)arg; 
 while ( 1 ) { 
 pthread_mutex_lock(&mutex); 
 if ( ticket > 0 ) { 
 usleep(1000); 
 printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); 
 ticket--; 
 pthread_mutex_unlock(&mutex); 
 // sched_yield(); 放弃CPU 
 } else { 
 pthread_mutex_unlock(&mutex); 
 break; 
 }
 }
return NULL;
} 
 
int main( void ) 
{ 
 pthread_t t1, t2, t3, t4; 
 
 pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 
 
 pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1"); 
 pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2"); 
 pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3"); 
 pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4"); 
 
 pthread_join(t1, NULL); 
 pthread_join(t2, NULL); 
 pthread_join(t3, NULL); 
 pthread_join(t4, NULL); 
 pthread_mutex_destroy(&mutex);
 return 0; 
}
互斥量实现原理探究

经过上面的例子，大家已经意识到单纯的 i++ 或者 ++i 都不是原子的，有可能会有数据一致性问题
为了实现互斥锁操作,大多数体系结构都提供了swap或exchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令,保证了原子性,即使是多处理器平台,访问内存的总线周期也有先后,一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。现在我们把lock和unlock的伪代码改一下。

可重入VS线程安全

概念

线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见在对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，才会出现该问题。
重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。

常见的线程不安全的情况

不保护共享变量的函数
函数状态随着被调用，状态发生变化的函数
返回指向静态变量指针的函数
调用线程不安全函数的函数

常见的线程安全的情况

每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安全的
类或者接口对于线程来说都是原子操作
多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性

常见不可重入的情况

调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的
调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
可重入函数体内使用了静态的数据结构

常见可重入的情况

不使用全局变量或静态变量
不使用用malloc或者new开辟出的空间
不调用不可重入函数
不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供
使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

可重入与线程安全联系

函数是可重入的，那就是线程安全的
函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题
如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的。

可重入与线程安全区别

可重入函数是线程安全函数的一种
线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。
如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个函数锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。