linux线程同步(1)-互斥量

一.概述

互斥量是线程同步的一种机制，用来保护多线程的共享资源。同一时刻，只允许一个线程对临界区进行访问。

互斥量的工作流程：创建一个互斥量，把这个互斥量的加锁调用放在临界区的开始位置，解锁调用放到临界区的结束位置。当内核优先把某个线程调度到临界区的开始位置时，线程执行这个加锁调用，并进入临界区对资源进行操作。此时其他线程再被内核调度到这里的时候，由于该互斥量已被加锁状态，得不到锁会一直阻塞在这里，导致其他线程不能进入临界区，直到刚刚那个进入临界区的线程离开临界区并执行解锁调用。

二.函数接口

1.初始化互斥量

互斥量是一个pthread_mutex_t类型的变量。

1.1：用宏常量初始化：

1 pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

1.2：用函数初始化：

1 #include <pthread.h>
2
3 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

mutex：互斥量结构指针

attr：互斥量的属性结构指针

2.设置互斥量属性

1 #include <pthread.h>
2
3 int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);

attr：互斥量的属性结构指针

type：PTHREAD_MUTEX_NORMAL(默认属性)，PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK(会进行错误检查，速度比较慢)，PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE(递归锁)。对于递归锁，同一个线程对一个递归锁加锁多次，会有一个锁计数器，解锁的时候也需要解锁这个次数才能释放该互斥量。

3.加锁与解锁

1 #include <pthread.h>
2
3 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
4 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
5 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数都是互斥量指针。pthread_mutex_lock()得不到锁会阻塞，int pthread_mutex_trylock()得不到锁会立即返回，并返回EBUSY错误。

还有一个pthread_mutex_timedlock()会根据时间来等待加锁，如果这段时间得不到锁会返回ETIMEDOUT错误！

1 #include <pthread.h>
2 #include <time.h>
3
4 int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);

4.销毁互斥量

1 #include <pthread.h>
2
3 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

mutex：创建的互斥量指针

三.简单例子

写个简单的例子，主线程消费，子线程生产，并模拟使用过程中可能遇到的缺点

 1 /**
 2  * @file pthread_mutex.c
 3  */
 4
 5 #include <stdio.h>
 6 #include <stdlib.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <unistd.h>
 9 #include <pthread.h>
10
11 /* 定义互斥量 */
12 pthread_mutex_t mtx;
13 /* 互斥量属性 */
14 pthread_mutexattr_t mtx_attr;
15 /* 全局资源 */
16 int money;
17
18 void err_exit(const char *err_msg)
19 {
20     printf("error:%s\n", err_msg);
21     exit(1);
22 }
23
24 /* 线程函数 */
25 void *thread_fun(void *arg)
26 {
27     while (1)
28     {
29         /* 加锁 */
30         pthread_mutex_lock(&mtx);
31
32         printf("子线程进入临界区查看money\n");
33         if (money == 0)
34         {
35             money += 200;
36             printf("子线程:money = %d\n", money);
37         }
38
39         /* 解锁 */
40         pthread_mutex_unlock(&mtx);
41
42         sleep(1);
43     }
44
45     return NULL;
46 }
47
48 int main(void)
49 {
50     pthread_t tid;
51
52     /* 初始化互斥量属性 */
53     if (pthread_mutexattr_init(&mtx_attr) == -1)
54         err_exit("pthread_mutexattr_init()");
55
56     /* 设置互斥量属性 */
57     if (pthread_mutexattr_settype(&mtx_attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL) == -1)
58         err_exit("pthread_mutexattr_settype()");
59
60     /* 初始化互斥量 */
61     if (pthread_mutex_init(&mtx, &mtx_attr) == -1)
62         err_exit("pthread_mutex_init()");
63
64     /* 创建一个线程 */
65     if (pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, NULL)== -1)
66         err_exit("pthread_create()");
67
68     money = 1000;
69     while (1)
70     {
71         /* 加锁 */
72         pthread_mutex_lock(&mtx);
73
74         if (money > 0)
75         {
76             money -= 100;
77             printf("主线程:money = %d\n", money);
78         }
79
80         /* 解锁 */
81         pthread_mutex_unlock(&mtx);
82
83         sleep(1);
84     }
85
86     return 0;
87 }

主线程和子线程都对money的操作进行了互斥量保护。68行，初始化money是1000，主线程每次消耗100，子线程只有到money是0是才会生产。sleep(1)防止独占cpu，也方便打印信息。编译运行：

可以看到这里有个非常浪费资源的问题：主线程消耗money的时候，子线程它不知道什么时候才消耗完，每次内核调度到它时，它都进入临界区加锁互斥量，然后查看money，再解锁。这无意义的操作，简直是极大的浪费！有什么办法可以解决这个问题呢？它有一个好伙伴，叫条件变量。

四.死锁

假设：当线程1获取锁1，再获取锁2后才能进入临界区1，线程2获取锁2，再获取锁1才能进入临界区2。某个时刻，线程1获取了锁1，再去获取锁2的时候发现锁2已经被线程2锁住了，而线程2获取锁2后，发现锁1被线程1锁住了。这样2个线程谁也不让谁，都进不了自己的临界区，就产生了死锁现象！一般遇到这种情况常见的解决办法是：规定统一的加锁顺序。线程1和线程2都按照先锁1，再锁2。还一种就是使用pthread_mutex_trylock()，如果该函数返回EBUSY错误，就释放这个线程的所有锁，不过效率有点低。

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