Linux系统编程 —互斥量mutex

互斥量mutex

前文提到，系统中如果存在资源共享，线程间存在竞争，并且没有合理的同步机制的话，会出现数据混乱的现象。为了实现同步机制，Linux中提供了多种方式，其中一种方式为互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

互斥量的具体实现方式为：每个线程在对共享资源操作前都尝试先加锁，成功加锁后才可以对共享资源进行读写操作，操作结束后解锁。

互斥量不是为了消除竞争，实际上，资源还是共享的，线程间也还是竞争的，只不过通过这种“锁”机制就将共享资源的访问变成互斥操作，也就是说一个线程操作这个资源时，其它线程无法操作它，从而消除与时间有关的错误。

从互斥量的实现机制我们可以看出，同一时刻，只能有一个线程持有该锁。如果有同时有多个线程持有该锁，那就没有实际意义了。

但是，这种锁机制不是强制的，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。

因此，即使有了mutex，其它线程如果不按照这种锁机制来访问共享数据的话，依然会造成数据混乱。所以为了避免这种情况，所有访问该共享资源的线程必须采用相同的锁机制。

主要应用函数：

​ pthread_mutex_init函数

​ pthread_mutex_destroy函数

​ pthread_mutex_lock函数

​ pthread_mutex_trylock函数

​ pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0，失败返回错误号。

在Linux环境下，类型pthread_mutex_t其本质是一个结构体。但是为了简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。mutex一般以下面方式定义：

pthread_mutex_t mutex;

变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

函数原型：

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

函数作用：

初始化一个互斥锁（互斥量）mutex，初值可视为1；

参数介绍：

mutex：传出参数，调用时应传 &mutex给该函数；

这里有个关键字比较特殊：restrict。它的作用只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改。比如说，再定义个pthread_mutex_t的指针，将其赋值为mutex的值，想要用它来修改mutex所指向的内存，这是不允许的。

attr：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，表示使用默认属性（即：线程间共享）。

对于互斥量mutex的初始化有两种方式：

1. 静态初始化：

如果互斥锁 mutex 是静态分配的，即：定义为全局变量，或加了static关键字修饰，可以直接使用宏进行初始化。e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

2. 动态初始化：

如果互斥锁mutex定义为局部变量，则应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

函数原型：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用：

销毁一个互斥锁

pthread_mutex_lock函数

函数原型：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用：

对共享资源进行加锁。可理解为将mutex--（或-1）；如果加锁不成功，则该线程将阻塞，直到持有该互斥量的其他线程解锁为止。注意：在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

pthread_mutex_unlock函数

函数原型：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用：

对共享资源解锁。可理解为将mutex ++（或+1）；在解锁的同时，会将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认情况下：先阻塞的线程会先被唤醒。

pthread_mutex_trylock函数

函数原型：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用：

对共享资源尝试加锁。它与pthread_mutex_lock函数的区别是，使用lock函数对共享资源进行加锁时，如果加锁不成功，则线程就阻塞；而如果使用trylock，则加锁不成功时不会阻塞当前线程，而是立即返回一个值来描述互斥锁的状况。

死锁：

1. 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
2. 线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

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

pthread_mutex_t mutex;

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));

    while(1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("hello ");           // 标准输出为共享资源
        sleep(rand() % 3);          // 在此时会失去CPU
        printf("world!\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    int n = 5;

    srand(time(NULL));

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);

    while(n--) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD!\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 3);
    }

    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

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