Linux系統編程 —互斥量mutex

互斥量mutex

前文提到，系統中若是存在資源共享，線程間存在競爭，而且沒有合理的同步機制的話，會出現數據混亂的現象。爲了實現同步機制，Linux中提供了多種方式，其中一種方式爲互斥鎖mutex（也稱之爲互斥量）。

互斥量的具體實現方式爲：每一個線程在對共享資源操做前都嘗試先加鎖，成功加鎖後才能夠對共享資源進行讀寫操做，操做結束後解鎖。

互斥量不是爲了消除競爭，實際上，資源仍是共享的，線程間也仍是競爭的，只不過經過這種「鎖」機制就將共享資源的訪問變成互斥操做，也就是說一個線程操做這個資源時，其它線程沒法操做它，從而消除與時間有關的錯誤。

從互斥量的實現機制咱們能夠看出，同一時刻，只能有一個線程持有該鎖。若是有同時有多個線程持有該鎖，那就沒有實際意義了。

可是，這種鎖機制不是強制的，互斥鎖實質上是操做系統提供的一把「建議鎖」（又稱「協同鎖」），建議程序中有多線程訪問共享資源的時候使用該機制。

所以，即便有了mutex，其它線程若是不按照這種鎖機制來訪問共享數據的話，依然會形成數據混亂。因此爲了不這種狀況，全部訪問該共享資源的線程必須採用相同的鎖機制。

主要應用函數：

​ pthread_mutex_init函數
​ pthread_mutex_destroy函數
​ pthread_mutex_lock函數
​ pthread_mutex_trylock函數
​ pthread_mutex_unlock函數

以上5個函數的返回值都是：成功返回0，失敗返回錯誤號。

在Linux環境下，類型pthread_mutex_t其本質是一個結構體。可是爲了簡化理解，應用時可忽略其實現細節，簡單當成整數看待。mutex通常如下面方式定義：

pthread_mutex_t mutex;

變量mutex只有兩種取值一、0。

pthread_mutex_init函數

函數原型：

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

函數做用：

初始化一個互斥鎖（互斥量）mutex，初值可視爲1；

參數介紹：

mutex：傳出參數，調用時應傳 &mutex給該函數；

這裏有個關鍵字比較特殊：restrict。它的做用只用於限制指針，告訴編譯器，全部修改該指針指向內存中內容的操做，只能經過本指針完成。不能經過除本指針之外的其餘變量或指針修改。好比說，再定義個pthread_mutex_t的指針，將其賦值爲mutex的值，想要用它來修改mutex所指向的內存，這是不容許的。

attr：互斥量屬性。是一個傳入參數，一般傳NULL，表示使用默認屬性（即：線程間共享）。

對於互斥量mutex的初始化有兩種方式：

1. 靜態初始化：

若是互斥鎖 mutex 是靜態分配的，即：定義爲全局變量，或加了static關鍵字修飾，能夠直接使用宏進行初始化。e.g. pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

2. 動態初始化：

若是互斥鎖mutex定義爲局部變量，則應採用動態初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函數

函數原型：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

函數做用：

銷燬一個互斥鎖

pthread_mutex_lock函數

函數原型：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

函數做用：

對共享資源進行加鎖。可理解爲將mutex--（或-1）；若是加鎖不成功，則該線程將阻塞，直到持有該互斥量的其餘線程解鎖爲止。注意：在訪問共享資源前加鎖，訪問結束後當即解鎖。鎖的「粒度」應越小越好。

pthread_mutex_unlock函數

函數原型：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

函數做用：

對共享資源解鎖。可理解爲將mutex ++（或+1）；在解鎖的同時，會將阻塞在該鎖上的全部線程所有喚醒，至於哪一個線程先被喚醒，取決於優先級、調度。默認狀況下：先阻塞的線程會先被喚醒。

pthread_mutex_trylock函數

函數原型：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

函數做用：

對共享資源嘗試加鎖。它與pthread_mutex_lock函數的區別是，使用lock函數對共享資源進行加鎖時，若是加鎖不成功，則線程就阻塞；而若是使用trylock，則加鎖不成功時不會阻塞當前線程，而是當即返回一個值來描述互斥鎖的情況。

死鎖：

1. 線程試圖對同一個互斥量A加鎖兩次。
2. 線程1擁有A鎖，請求得到B鎖；線程2擁有B鎖，請求得到A鎖

#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 ");           // 標準輸出爲共享資源
        sleep(rand() % 3);          // 在此時會失去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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