多线程编程之Apue3rd_Chapter11之互斥锁_读写锁_自旋锁

学习了apue3rd的第11章，主要讲的是多线程编程。因为线程共享进程的资源比如堆和全局变量，多线程编程最重要的是，使用各种锁进行线程同步。

线程编程首先要学习的三个函数如下：

#include <pthread.h>

int pthread_create(pthread_t* tidp, const pthread_attr_t* restrict attr, void* (*start rm)(void*), void* restrict arg)

这个函数是负责线程创建的。第一个参数是线程id，线程创建成功后，线程id将被写入tidp指向的内存。Linux下，pthread_t是unsigned long 类型。第二个参数是一个结构体指针，是传给线程的属性，决定了线程的很多行为，如果不使用，可以传一个NULL给attr。第三个是线程的起始函数，其必须是void* xxxxx(void* arg)类型，就是返回值和参数都是void* 指针。第四个是传给启动函数的参数，启动之后，启动函数的参数arg的值等于pthread_create的arg的值。

void pthread_exit(void * rval_ptr)

这个函数可以将一个线程终止退出。rval_ptr是你设置的一个指针，它指向的内存可以保存你要返回的终止状态信息结构体。

int pthread_join(pthread_t thread, void** rval_ptr)

这个函数用于母线程回收其他线程的资源。rval_ptr指向的地址，将会写上从pthread_exit返回的指针的值，从而获取到终止状态结构体。

示例代码：   gcc main.c -o main -lpthread

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

void* thread1(void* arg)

{

pthread_exit((void*)2);

}

int main(int argc, char* argv[])

{

pthread_t tid1;

int res;

void* rval;

res = pthread_create(&tid1,NULL,thread1,NULL);

if(res!=0)

{

printf("thread creating failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_join(tid1,&rval);

if(res!=0)

{

printf("thread join failed\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

printf("thread exit code is %lu\n",(unsigned long)rval);//网上说无符号长整顿输出格式是//lu

return 0;

}

编译出现stray '\241' in program，出现原因是在word中打出的双引号，拷贝到文本文件中，与应该有的英文双引号不同，应该重新用英文输入法打双引号。EXIT_FAILURE的头文件为stdlib.h

互斥锁

互斥锁是类似posix信号量的线程同步手段，其本质是通过原子操作来获取一个锁。其函数如下。

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

这个函数是在使用互斥锁之前先初始化一下锁。其参数分别是互斥锁结构体和互斥锁属性结构体的指针。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex)

这个函数是使用完之后，销毁互斥锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex)

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex)

这两个函数分别是获取锁和释放锁。

应该注意到是：如果一个线程已经获取到一个锁，并继续获取这个锁，就会产生死锁。

如果一个线程已经释放了一个锁，再次释放那个锁不会产生死锁，但在销毁锁的时候会出错。

互斥锁只存在于进程中，并不存在于内核中，因此，一个进程的锁如果没有销毁而就结束的话，内核不会有前面留下的锁。

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t* restrict mutex,const struct timespec* restrict tsptr)

这个函数在获取锁的时候，可以避免发生死锁，如果到一个时间段获取不到锁，函数就会返回，返回码是EIMEDOUT。注意这里的tsptr是绝对时间，即从UTC1970-1-1 0:0:0开始计时的秒数和纳秒数。使用的时候需要使用clock_gettime获取系统绝对时间。然后再加上一个时间间隔，

gcc main.c -o main -lpthread -lrt   -lrt存在的原因是使用了clock_gettime，需要链接库rt。注意这里的”-”符号粘贴到Linux时候有时会出错，需要使用英文输入法重新打“-“。

使用时候一般把锁定义为全局变量，方便各个线程使用。测试代码如下（在上面代码基础上修改）:

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <time.h>

pthread_mutex_t mutex1;

void* thread1(void* arg)

{

int res;

struct timespec tout;                       //定义在time.h

memset(&tout, 0, sizeof(tout));

clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);

tout.tv_sec += 10;

pthread_mutex_lock(&mutex1);

res = pthread_mutex_timedlock(&mutex1,&tout);

printf("timedlock return %d\n",res);

printf("%s\n",strerror(res));            //strerror在errno.h

//pthread_mutex_lock(&mutex1);

//pthread_mutex_unlock(&mutex1);

pthread_mutex_unlock(&mutex1);

pthread_exit((void*)2);

}

int main(int argc, char* argv[])

{

pthread_t tid1;

int res;

void* rval;

res = pthread_mutex_init(&mutex1,NULL);      //NULL定义在stdio.h

if(res!=0)

{

printf("mutex init failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_create(&tid1,NULL,thread1,NULL);

if(res!=0)

{

printf("thread creating failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_join(tid1,&rval);

if(res!=0)

{

printf("thread join failed\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

printf("thread exit code is %lu\n",(unsigned long)rval);//网上说无符号长整顿输出格式是//lu

res = pthread_mutex_destroy(&mutex1);

if(res!=0)

{

printf("mutex destroy failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

return 0;

}

读写锁

读写锁的使用与互斥锁非常类似，它适合的场景是有大量读，而只有少量写的情况，可以让更多的线程往前执行。

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t* restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t* restrict attr)

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t* rwlock)

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t* rwlock)

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t* rwlock)

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t* rwlock)

自旋锁

自旋锁的时候与互斥锁类似，它适合的场景是线程每次执行的时间很短，其他线程不需要等多久的情况，自旋锁等待的时候，线程没有休眠，而是在不断的死循环。自旋锁适合的情况是自旋等待的开销比线程切换的开销小的情况。

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t* lock, int pshared)

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t* lock)

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t* lock)

int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t* lock )

int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t* lock)

无论是互斥锁，或者是读写锁，或者自旋锁，或是以前学习的posix信号量，都存在一个问题，就是多个线程在竞争锁的时候，存在一个线程运行过快，从而反复获得锁，其他线程没有机会竞争到锁（复活线程需要时间）。需要在释放锁之后，空循环一定时间（5000-10000次），以便让其他线程充分时间获得锁。这是南京华为的面试官问我的问题。

gcc main.c -o main -lpthread –lrt

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <time.h>

pthread_mutex_t mutex1;

pthread_spinlock_t spin1;

pthread_rwlock_t rwlock1;

void* thread1(void* arg)

{

int res;

struct timespec tout;                       //定义在time.h

memset(&tout, 0, sizeof(tout));

clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);

tout.tv_sec += 5;

pthread_mutex_lock(&mutex1);

res = pthread_mutex_timedlock(&mutex1,&tout);

printf("timedlock return %d\n",res);

printf("%s\n",strerror(res));            //strerror在errno.h

//pthread_mutex_lock(&mutex1);

//pthread_mutex_unlock(&mutex1);

pthread_mutex_unlock(&mutex1);

pthread_spin_lock(&spin1);

pthread_spin_unlock(&spin1);

pthread_rwlock_rdlock(&rwlock1);

pthread_rwlock_unlock(&rwlock1);

pthread_rwlock_wrlock(&rwlock1);

pthread_rwlock_unlock(&rwlock1);

pthread_exit((void*)2);

}

int main(int argc, char* argv[])

{

pthread_t tid1;

int res;

void* rval;

res = pthread_mutex_init(&mutex1,NULL);      //NULL定义在stdio.h

if(res!=0)

{

printf("mutex init failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_spin_init(&spin1,PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);

if(res!=0)

{

printf("spin init failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_rwlock_init(&rwlock1,NULL);

if(res!=0)

{

printf("rwlcok init failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_create(&tid1,NULL,thread1,NULL);

if(res!=0)

{

printf("thread creating failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_join(tid1,&rval);

if(res!=0)

{

printf("thread join failed\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

printf("thread exit code is %lu\n",(unsigned long)rval);//网上说无符号长整顿输出格式是//lu

res = pthread_mutex_destroy(&mutex1);

if(res!=0)

{

printf("mutex destroy failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_spin_destroy(&spin1);

if(res!=0)

{

printf("spin destroy failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

res = pthread_rwlock_destroy(&rwlock1);

if(res!=0)

{

printf("rwlock destroy failed!\n");

exit(EXIT_FAILURE);

}

return 0;

}