Linux -- 线程互斥
本文介绍了多线程编程中的互斥机制。主要内容包括：1)互斥相关概念，如共享资源、临界区和原子性操作；2)互斥量(mutex)的作用和使用方法，通过抢票例子说明不加锁会导致数据竞争问题；3)互斥量的接口函数和实现原理，利用原子交换指令保证互斥；4)互斥量的RAII风格封装实现自动加解锁。互斥机制能确保任一时刻只有一个线程访问临界资源，防止多线程并发时的数据不一致问题。文章详细阐述了互斥量的初始化、加解
·
1.互斥相关背景和概念：
共享资源：所有线程都能看到的资源叫做共享资源，例如全局变量。
临界区：每个线程内部访问临界资源的代码叫做临界区。
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该临界资源，对临界资源起保护的作用。
原⼦性：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。
2.互斥量mutex
mutex是一个互斥量，用来保证 共享资源的安全，使多个线程互斥。多个线程就类似多个打印任务，如果不加保护同时使用打印机进行打印，那么势必会出现打印错乱的一些情况，这时候就需要使用互斥锁，这是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。
这里使用一个抢票例子来说明不加锁的多线程会出现的问题：
这里使用四个线程来模拟多线程抢票的过程，结果却出现了负数，本应该大于0才进行抢票，但是怎么会出现负数呢？这就是没有对该临界区加锁导致的后果。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 这个模拟漫⻓业务的过程，在这个漫⻓的业务过程中，可能有很多个线程会进⼊该代码段，其他语句也判断为真也会休眠然后进行--操作，此时假如ticketnum已经为1了，但是四个进程同时通过了if判断，然后都进行--操作，由于--操作并不是原子的，是由三个步骤构成:将数据从内存搬入cpu，在cpu内部进行-1操作，再从cpu将数据写会内存中，在这个过程中也其他线程搬入cpu的数据可能还没有修改所以最后会出现两个相同的-1值以及小于0的结果。
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。
要做到以上的三点那么就需要一把锁，这个锁叫做互斥量。
【互斥锁的特点】：
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。
2.2互斥量的接口
初始化互斥量有两种方法：
方法1，静态分配，适用于全局变量
phtread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
方法2，动态分配，适用于局部变量
int pthread_mutex_init ( pthread_mutex_t * restrict mutex, constpthread_mutexattr_t * restrict attr);参数：mutex ：要初始化的互斥量attr ： NULL返回值：成功返回0，失败返回错误
销毁互斥量：
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:
(1)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
(2)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。
修改上面的抢票系统：在临界资源加上一把锁并在不使用时解锁。
现在就可以正确进行抢票了
3.互斥量实现的原理
为了实现互斥锁的操作，大多数体系结构都提供了swap和exchange指令，该指令的作用时将寄存器数据和内存单元的数据交换，只有一条指令，保证了原子性，防止其他线程抢占资源。
Lock和unloc的伪代码：
解释一下，%al是一个寄存器，在刚进入lock函数时会将0写入此线程的一个寄存器中，然后将寄存器的值与mutex互斥量进行交换，由于这是原子操作，所以无法被打断，即该线程上锁就不会被其他线程抢占锁了，此时寄存器大于0就会return 0然后继续执行临界区的代码，如果此时线程被切换，其他线程调用lock函数时，mutex此时已经为0，寄存器交换以后的值还是0，所以会被挂起等待，锁在线程切换时就已经被上下文保护起来了，其他线程并不能够访问。当上锁的线程执行unlock时会将锁归还给mutex，然后唤醒其他正在阻塞的线程，此时正在等待的其他线程会再次竞争互斥锁的资源。
4.互斥量的封装
这里对系统的互斥量进行了封装，并且使用rall风格进行调用。
调用时只需要保证LockGuard创建的每次保存的都是同一把锁即可：
这样就完成了对互斥量的简单封装并使用RALL风格进行管理，调用者只需要创建对象不需要进行加锁解锁的操作。
5.总结：本章对互斥量背景，概念，原理进行了讲解，并使用抢票例子进行说明互斥在多线程中的重要性，希望以上内容对你有所帮助。
有“AI”的1024 = 2048，欢迎大家加入2048 AI社区
更多推荐
14
0- 0
已为社区贡献9条内容
所有评论(0)