【Linux】线程互斥

1.进程线程间互斥相关背景概念

1. 临界资源：凡是被线程共享访问的资源都是临界资源（多线程、多进程打印数据到显示器(临界资源))。
2. 临界区：我的代码中访问临界资源的代码（在我的代码中，不是所有的代码都是进行访问临界资源的。而访问临界资源的代码区域我们称之为临界区）
3. 对临界区进行保护的功能，本质：就是对临界资源的保护。方式：互斥或者同步。
4. 互斥：在任意时刻，只允许一个执行流访问某段代码（资源）
5. 原子性：一件事情，要么不执行，要么就执行完毕
6. 同步：一般而言，让访问临界资源的过程在安全的前提下（一般都是互斥和原子的），让访问资源具有一定的顺序性（合理性）！！！

2.多线程导致共享变量出现逻辑错误

有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。看下面的一段代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket = 100;
void* route(void* arg)
{
	char* id = (char*)arg;
	while (1) {
		if (ticket > 0) {
			usleep(1000);
			printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
			ticket--;
		}
		else {
			break;
		}
	}
}
int main(void)
{
	pthread_t t1, t2, t3, t4;
	pthread_create(&t1, NULL, route, "thread 1");
	pthread_create(&t2, NULL, route, "thread 2");
	pthread_create(&t3, NULL, route, "thread 3");
	pthread_create(&t4, NULL, route, "thread 4");
	pthread_join(t1, NULL);
	pthread_join(t2, NULL);
	pthread_join(t3, NULL);
	pthread_join(t4, NULL);
}
//一次执行结果：
thread 4 sells ticket : 100
...
thread 4 sells ticket : 1
thread 2 sells ticket : 0
thread 1 sells ticket : -1
thread 3 sells ticket : -2

为什么可能无法获得争取结果？

• 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 这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段
• –ticket 操作本身就不是一个原子操作，取出ticket–部分汇编如下图
  

由上面的汇编图可以看出来，操作并不是原子的，而是对应三条汇编指令：

1. load ：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中
2. update : 更新寄存器里面的值，执行-1操作
3. store ：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址

要解决以上问题，需要做到三点：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
   要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量。下面我们认识一下互斥量。

3.互斥量

3.1理解互斥量

所谓互斥量，就是同一时刻只运行一个线程或者进程访问共享资源，如下图所示：

3.2互斥量的接口

3.2.1互斥量的初始化

初始化互斥量有两种方法：

1. 静态分配:

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2. 动态分配：

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, 
const pthread_mutexattr_t *restrictattr);
参数：
	mutex:要初始化的互斥量
	attr：NULL(一般情况)

3.2.2互斥量的销毁

销毁互斥量需要注意：

1. 使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
2. 不要销毁一个已经加锁的互斥量
3. 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)；

3.2.3互斥量的加锁和解锁

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：

• 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
• 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。

4.互斥量实现原理探究

• 经过上面的例子，大家已经意识到单纯的 i++ 或者 ++i 都不是原子的，有可能会有数据一致性问题
• 为了实现互斥锁操作,大多数体系结构都提供了swap或exchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令,保证了原子性,即使是多处理器平台,访问内存的 总线周期也有先后,一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。 现在我们把lock和unlock的伪代码改一下