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线程互斥
一些背景知识
在讨论线程互斥的话题之前，我想先和大家说明一下下面的几个概念
- 共享资源：在我们前面讨论线程的时候，我们知道线程的绝大多数资源都是共享的，我们把这些多执行流可以共享的资源叫作共享资源；共享资源不会导致数据不一致问题，只有访问了共享资源才有可能导致数据不一致问题
- 临界资源：如果我们把多执行流的共享资源保护起来，那么被保护起来的共享资源就叫临界资源，如管道
- 临界区：在每个线程内部，我们把访问临界资源的那一部分代码叫作临界区
- 互斥：在任何时刻，只允许一个执行流进入临界区访问临界资源就叫做互斥
- 原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成
互斥量
共享资源的并发访问问题
在谈论互斥量之前，我想先带领大家思考一个问题，如果一个共享资源没有被保护，会存在什么问题？我们来看下面的一个代码：
cpp
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
int count=100;
void*ThreadRoutine(void*arg)
{
char*name=(char*)arg;
while(true)
{
if(count>0){
usleep(1000);
printf("%s线程开始执行，count的值为：%d\n",name,count);
count--;
}
else{
break;
}
}
return (void*)0;
}
int main()
{
pthread_t t1,t2,t3,t4,t5;
pthread_create(&t1,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-1");
pthread_create(&t2,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-2");
pthread_create(&t3,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-3");
pthread_create(&t4,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-4");
pthread_create(&t5,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-5");
pthread_join(t1,nullptr);
pthread_join(t2,nullptr);
pthread_join(t3,nullptr);
pthread_join(t4,nullptr);
pthread_join(t5,nullptr);
return 0;
}运行结果如下所示：
我们看到，此时竟然出现了负数，那么此时我们就有一个问题：为什么会出现减到负数的情况？
首先我们来看上面的代码，我们可以看到，无论是全局变量还是局部变量，最终都会在物理内存中存储，而我们对全局变量--和判断的操作最终都会在cpu上进行运算，也就是说，对于算数和逻辑问题，都会由CPU帮我们完成，而数据却在内存当中，所以注定了一次运算会有三个不同的阶段：
- 取指令：将数据从内存当中加载到CPU内部
- 分析指令：是逻辑运算还是算数运算
- 执行指令：进行计算
也就是说，站在硬件的角度，CPU为了能够完成计算，需要把指令和数据拷贝到CPU内部的寄存器里面，然后在CPU内部进行算数运算和逻辑运算，而CPU为了完成运算的过程必定会以进程或线程为载体执行；站在操作系统的角度，把数据从内存搬迁到寄存器时，内存中的数据属于共享资源，寄存器属于硬件上下文，而线程要进行切换时需要保存自己的上下文数据，但是寄存器只有一份，但寄存器里面的数据每个线程都有一份；
换句话说，当我们把数据从内存拷贝到寄存器当中，CPU必定在执行某一个线程对应的代码，同时也是把该变量的内容变成私有化内容
如果我们存在两个线程A和B，假设线程A正在执行逻辑判断，满足逻辑判断后进入到代码里面，如果此时线程A的时间片到了，那么线程A就需要被切换，但是线程A会保存自己的硬件上下文；接着线程B开始执行，线程B也开始执行逻辑判断，判断为真，进入到代码逻辑里面，如果此时线程B把全局变量减到了0时间片到了，此时线程A重新开始运行，线程A此时的硬件上下文表示全局变量还没有减到0，因此接着上次的代码继续向后运行，那么此时线程A对全局变量进行减一时就会把全局变量减到负数，由此我们就解释了为什么count会被减到负数，也就是说，因为if判断的存在，所以导致了全局变量count被减到了负数
那么此时我们还有一个问题，对于全局变量进行--的操作是安全的吗？
3这里我们只看到count--着一条代码，但实际上，count--这句代码在编译成汇编代码的时候是被编译成了三条语句
- 第一步，将内存中的变量拷贝到cpu寄存器当中
- 第二步：执行--操作
- 第三步：将结果写回到内存中
那么有没有可能，我们在执行其中一步操作的时候时间片到了，然后A线程的上下文被保存，同时将B线程切换进来，假设线程B将count减到了0，然后线程A被重新切换回来，此时线程A继续在原来被切换的位置继续向下执行，并把count的值又变成了非0的值，此时可能会出现重复的值
综上所述，在多线程的场景下，对全局变量进行并发访问本身不是线程安全的
问题反思引出概念
对于上面的代码，我们来分析一下上面的背景知识里面所提到的概念：
- 共享资源：就是count全局变量
- 临界资源：如果我们把count保护起来，那么count就变成了临界资源
- 临界区：访问count变量的代码
为了解决共享资源的并发访问问题，我们就需要把共享资源保护起来，形成临界区，为了保护共享资源，pthread库提出了互斥锁的概念
互斥锁
pthread库所定义的互斥锁是用pthread_mutex_t这个类型去定义的
定义互斥锁：
- 静态分配
如果是定义的是静态或全局的，可以使用PTHREAD_MUTEX_INITALIZER去初始化 - 动态分配
如果我们的互斥锁是在栈上开辟的，可以使用pthread_mutex_init这个函数去初始化
- 我们可以使用
pthread_mutex_destroy这个函数去销毁，如果我们定义的是全局的互斥锁，那么就不需要销毁，如果我们定义的是局部的，那么就需要调用pthread_mutex_destroy去销毁
我们用上面的互斥锁对上面的代码进行加锁解锁的操作：
cpp
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
//全局的锁
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int count=100;
void*ThreadRoutine(void*arg)
{
char*name=(char*)arg;
while(true)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
if(count>0){
usleep(1000);
printf("%s线程开始执行，count的值为：%d\n",name,count);
count--;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
else{
pthread_mutex_unlock(&mutex);
break;
}
}
return (void*)0;
}
int main()
{
pthread_t t1,t2,t3,t4,t5;
pthread_create(&t1,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-1");
pthread_create(&t2,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-2");
pthread_create(&t3,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-3");
pthread_create(&t4,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-4");
pthread_create(&t5,nullptr,ThreadRoutine,(void*)"thread-5");
pthread_join(t1,nullptr);
pthread_join(t2,nullptr);
pthread_join(t3,nullptr);
pthread_join(t4,nullptr);
pthread_join(t5,nullptr);
return 0;
}此时我们来看这个代码，我们有下面几个问题：其中的互斥锁不就是全局的吗？怎么保证锁的安全？所有的线程都需要申请锁吗？如果线程进入到临界区，会因为切换导致并发问题吗？
首先来看问题一：实际上这个互斥锁是原子的，不用担心其他线程去抢占它，具体原因我们放在之后进行分析
对于第二个问题：不能所有线程都申请锁，但是如果要加锁必须加同一把锁，如果加锁了，所有线程在访问共享资源的时候都要严格遵守先加锁再解锁的逻辑，不存在并发问题
对于第三个问题：如果对临界区加锁了，线程进入到临界区，也会被切换，但是不会因为切换而导致并发问题
而我们加锁之后，访问临界区就变成了原子的