Linux线程互斥锁

目录

🚩看现象，说原因

🚩解决方案

🚩互斥锁

🚀关于互斥锁的理解

🚀关于原子性的理解

🚀如何理解加锁和解锁是原子的

🚩对互斥锁的简单封装

---

引言

大家有任何疑问，可以在评论区留言或者私信我，我一定尽力解答。

今天我们学习Linux线程互斥的话题。Linux同步和互斥是Linux线程学习的延伸。但这部分挺有难度的，请大家做好准备。那我们就正式开始了。

🚩看现象，说原因

我们先上一段代码：

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<cassert>
using namespace std;
int NUM=5;
int ticket=1000;
class pthread
{
public:
     char buffer[1024];
     pthread_t id;
};
void *get_ticket(void *args)
{
     pthread *pth=static_cast<pthread*>(args);
     while(1)
     {
          usleep(1234);
          if(ticket<0)
          {
               return nullptr;
          }
          cout<<pth->buffer<<" is ruuing ticket: "<<ticket<<endl;
          ticket--;
          
     }
}

int main()
{
     vector<pthread*> pthpool;
     for(int i=0;i<NUM;i++)
     {
          pthread* new_pth=new pthread();
          snprintf(new_pth->buffer,sizeof (new_pth->buffer),"thread-%d",i+1);
          int n=pthread_create(&(new_pth->id),nullptr,get_ticket,new_pth);
          assert(n==0);
          (void)n;
          pthpool.push_back(new_pth);

     }
     for(int i=0;i<pthpool.size();i++)
     {
         int m= pthread_join(pthpool[i]->id,nullptr);
         assert(m==0);
         (void)m;
     }
     return 0;

}

这段代码模拟的是抢票模型，一共有一千张票，我们让几个线程同时去抢票。看看有什么不符合实际的情况发生。

还真有不符合实际的情况发生：竟然抢到了负票。卧槽，这是什么情况，我们赶紧分析一下。

首先，在代码中我们定义了一个全局变量：ticket 。这个变量被所有线程所共享。

对于这种情形，我们直接拉向极端情况：假设此时的票数只有一张了。一个线程进入if内部，但是对票数还没有进行操作，这时，时间片到了，这个线程被切了下去。紧接着，一个线程就通过if判断，顺利抢到了最后一张票，对票数进行了操作。此时已经无票可抢了。这时，那个被切下来的线程又带着它的数据开始了抢票。但是在这个线程看来，票数依旧还有最后一张，所以，它又对票数进行了减减操作，得到了负票。

这种情况显然是不合理的，假如一个电影院有100个座位，结果卖出去102张票，这怎么可以呢？

我们定义的全局变量，在没有保护的情况下，往往晒不安全的。像上面多个线程在交替执行时造成的数据安全问题，我们称之为出现了数据不一致问题。

这就是个坑啊，必须解决。

🚩解决方案

在提出解决方案之前，我们先回顾几个概念。

• 多个执行流进行安全访问的共享资源，叫做临界资源
• 我们把多个执行流中，访问临界资源的代码叫做临界区，临界区往往是线程代码很小的一部分。
• 想让多个线程串行访问共享资源的方式叫做互斥。
• 对一个资源进行访问的时候，要么不做，要么做完，这种特性叫做**原子性。**一个对资源进行的操作，如果只有一挑汇编语句完成，那么就是原子的，反之就不是原则的。这是当前我们对原子性的理解，后面还会发生改变。

我们提出的解决方案就是加锁。相信大家第一次听到锁。对于什么是锁，如何加锁，锁的原理是什么我们都不清楚，别着急，我们在接下来的内容里会进行详细的详解。

我们先使用一下锁，见见猪跑！！

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<vector>
#include<cassert>
using namespace std;
int NUM=5;
int ticket=1000;
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
class pthread
{
public:
     char buffer[1024];
     pthread_t id;
};
void *get_ticket(void *args)
{
     pthread *pth=static_cast<pthread*>(args);
     while(1)
     {  
          pthread_mutex_lock(&mutex);
          usleep(1234);
        
          if(ticket<0)
          {  
               pthread_mutex_unlock(&mutex);
               return nullptr;
             
          }
          cout<<pth->buffer<<" is ruuing ticket: "<<ticket<<endl;
          ticket--;
          pthread_mutex_unlock(&mutex);
          
     }
}

int main()
{
     vector<pthread*> pthpool;
     for(int i=0;i<NUM;i++)
     {
          pthread* new_pth=new pthread();
          snprintf(new_pth->buffer,sizeof (new_pth->buffer),"user-%d",i+1);
          int n=pthread_create(&(new_pth->id),nullptr,get_ticket,new_pth);
          assert(n==0);
          (void)n;
          pthpool.push_back(new_pth);

     }
     for(int i=0;i<pthpool.size();i++)
     {
         int m= pthread_join(pthpool[i]->id,nullptr);
         assert(m==0);
         (void)m;
     }
     return 0;

}

结果显示抢票的过程非常顺利，接下来，我们把重心指向锁。

🚩互斥锁

首先，我们先认识一些锁的常见接口

// 所有锁的相关操作函数都在这个头文件下
//这些函数如果又返回值，操作成功的话，返回0，失败的话。返回错误码。错误原因被设置
#include <pthread.h>
// 锁的类型，用来创建锁
pthread_mutex_t
// 对锁进行初始化，第二个参数一般设位null
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
// 如果这个锁没有用了，可以调用该函数对锁进行销毁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
// 如果创建的锁是全局变量，可以这样初始化。
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 对特定代码部分进行上锁，这部分代码只能有一次只能有一个执行流进入，被保护的资源叫做临界资源。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
// 尝试上锁，不一定成功。
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
// 取消锁。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

刚刚，我们已经使用一种方式实现了加锁，接下来，我们用另一种方式：

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <cassert>
using namespace std;
int NUM = 5;
int ticket = 1000;
class Thread_Data
{
public:
     Thread_Data(string name,pthread_mutex_t* mutex):_name(name),_mutex(mutex)
     {}
     ~Thread_Data()
     {}
public:
 string _name;
 pthread_mutex_t*  _mutex;
};
void *get_ticket(void *args)
{
     Thread_Data *pth = static_cast<Thread_Data*>(args);
     while (1)
     {
          pthread_mutex_lock(pth->_mutex); 
          if (ticket > 0)
          {  
               usleep(1234); 
               cout << pth->_name << " is ruuing ticket: " << ticket << endl;  
               ticket--;
               pthread_mutex_unlock(pth->_mutex); 
          } 
          else
          {
               pthread_mutex_unlock(pth->_mutex);
               break;
          }
     }
}

int main()
{
     pthread_mutex_t mutex;
     pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);
     vector<pthread_t> tids(NUM); 
     for (int i = 0; i < NUM; i++)
     {
          char buffer[1024];
          Thread_Data *td=new Thread_Data(buffer,&mutex);
          snprintf(buffer, sizeof(buffer), "user-%d", i + 1);
           
           int n =pthread_create(&tids[i], nullptr, get_ticket, td);
          assert(n == 0);
          (void)n;
     }
     for (int i = 0; i < tids.size(); i++)
     {
          int m = pthread_join(tids[i], nullptr);
          assert(m == 0);
          (void)m;
     }
     return 0;
}

运行一下，发现一直是4号线程在跑，其他线程呢？我也没让其他线程退出呀！而且抢票的时间变长了。

• 加锁和解锁是多个线程串行进行的，所以程序允许起来会变得很慢。
• 锁只规定互斥访问，没有规定谁优先访问。
• 锁就是让多个线程公平竞争的结果，强者胜出嘛。

🚀关于互斥锁的理解

• 所有的执行流都可以访问这一把锁，所以锁是一个共享资源。
• 加锁和解锁的过程必须是原子的，不会存在中间状态。要么成功，要么失败。加锁的过程必须是安全的。
• 谁持有锁，谁进入临界区。

如果一个执行流申请锁成功，继续向后运行；如果申请失败的话，这个执行流怎么办？

这种情况试一试不就知道了。我们依旧使用上面的一份代码，稍稍做一下修改：

所以，当一个执行流申请锁失败时，这个执行流会阻塞在这里。

---

🚀关于原子性的理解

如图，三个执行流

问：如果线程1申请锁成功，进入临界资源，正在访问临界资源区的时候，其他线程在做什么？

答：都在阻塞等待，直到持有锁的线程释放锁。

问; 如果线程1申请锁成功，进入临界资源，正在访问临界资源区的时候,可不可以被切换？

答:绝对是可以的，CPU管你有没有锁呢，时间片到了你必须下来。当持有锁的线程被切下来的时候，

是抱着锁走的，即使自己被切走了，其他线程依旧无法申请锁成功，也就无法继续向后执行。

这就叫作：江湖上没有我，但依旧有我的传说。

所以对于其他线程而言，有意义的锁的状态，无非两种：①申请锁前，②释放锁后

所以，站在其他线程的角度来看待当前持有锁的过程，就是原子的。

所以，未来我们在使用锁的时候，要遵守什么样的原则呢？

• 一定要保证代码的粒度(锁要保护的代码的多少i)要非常小。
• 加锁是程序员的行为，必须做到要加的话所有的线程必须要加锁。

🚀如何理解加锁和解锁是原子的

在分析如何实现加锁和解锁之前，我们先形成几个共识：

• CPU内执行流只有一套，且被所有执行流所共享。
• CPU内寄存器的内容属线程所有，是每个执行流的上下文。时间片到达，数据带走。
• 在进行加锁和解锁的时候，这个线程随时会因时间片已到而被换下来。

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 。

如图：

我们假设有线程A，B两个线程，A想要获得锁

锁内存储的数据就是int类型的1。 A线程中有数字0。

①：movb $0，%al：将线程A中的1move到寄存器中。此时，是有可能发生时间片到达的，但是寄存器内的数据属于线程A，线程A是要带走的。

②：xchgb %al，mutex：将锁中的数据和寄存器内的数据进行交换。此时寄存器内的数据变成1,锁中的数据变为0。这是关键的一步，也有可能会发生切换。假设不巧的很，A线程被切下去了，B线程被切上来了。B线程从第一步开始，走到现在，寄存器内的数据应该是0。然后进入判断体eles进行挂起等待。

③如果在第二步中线程A被切下来，等待一段时间，时间片再次轮到线程A时，A将自己的数据加载到寄存器内进入判断，然后获得锁。

交换的过程由一条汇编构成

交换的本质：共享的数据，交换到线程的上下文中。

那么。如何完成解锁的操作呢。解锁的操作特别简单，只需一步。

将寄存器内的1归还给锁。然后return返回就可以了。

🚩对互斥锁的简单封装

相信大家对互斥锁都有了充分的了解。接下来，我们就实现一下对互斥锁的简单封装。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include <cassert>

class Mutex
{
public:
     Mutex(pthread_mutex_t *mutex) : _mutex(mutex)
     {
     }
     void unlock()
     {
          if (_mutex)
          {
                pthread_mutex_unlock(_mutex);
          }
     }
     void lock()
     {
         if(_mutex)
         {
               pthread_mutex_lock(_mutex);
         }
     }
     ~Mutex()
     {
     }

public:
     pthread_mutex_t *_mutex;
};
class Lockguard
{
public:
     Lockguard(Mutex mutex) : _mutex(mutex)
     {
          _mutex.lock();
     }
     ~Lockguard()
     {
          _mutex.unlock();
     }

public:
     Mutex _mutex;
};

这种利用变量出了函数作用域自动销毁的性质，我们称之为RAII特性。

到这里，我们本篇的内容也就结束了，我们期待下一期博客相遇。