POSIX多线程—互斥量概述
作者：阿波
链接：http://blog.csdn.net/livelylittlefish/article/details/8096595
(整半年没有更新，发几篇以前的读书笔记。)
Content
0. 序
1. 基本概念
2. 互斥量的例子
3. 互斥量定义
3.1 64位系统
3.2 32位系统
3.3 pthread_mutex_t结构的内容
4. 互斥量初始化与销毁
4.1 初始化
(1) 静态初始化
(2) 动态初始化
4.2 销毁互斥量
5. 小结
0. 序
本文涉及到的glibc版本为2.11，若无特别说明，.表示glibc-2.11源代码目录，本文为/usr/src/glibc-2.11。
1. 基本概念
临界区：一个存取共享资源的代码段，而这些共享资源无法同时被多个线程访问；即影响共享数据的代码段。
线程同步方法
- 确保对相同/相关数据的内存访问互斥地进行，即一次只能允许一个线程写数据，其他线程必须等待；
- Pthreads使用特殊形式的Edsger Dijkstra信号灯——互斥量；
- mutex: mutual(相互)，exclusion(排斥)；
2. 互斥量的例子
下图显示了共享互斥量的三个线程的时序图。
说明
- 处于标圆形框之上的线段表示相关的线程没有拥有互斥量；
- 处于圆形框中心线之上的线段表示相关的线程等待互斥量；
- 处于圆形框中心线之下的线段表示相关的线程拥有互斥量；
过程描述
- 最初，互斥量没有被加锁；
- 当线程1试图加锁该互斥量时，因为没有竞争，线程1立即加锁成功，对应线段也移到中心线之下；
- 然后线程2试图加锁互斥量，由于互斥量已经被加锁，所以线程2被阻塞，对应线段在中心线之上；
- 接着，线程1解锁互斥量，于是线程2解除阻塞，并对互斥量加锁成功；
- 然后，线程3试图加锁互斥量，同样被阻塞；
- 此时，线程1调用函数pthread_mutext_trylock试图加锁互斥量，而立即返回EBUSY；
- 然后，线程2解锁互斥量，解除线程3的阻塞，线程3加锁成功；
- 最后，线程3完成工作，解锁互斥量；
3. 互斥量定义
3.1 64位系统
file: /usr/include/bits/pthreadtypes.h
/* Data structures for mutex handling. The structure of the attribute
type is not exposed on purpose. */
typedef union
{
struct __pthread_mutex_s
{
int __lock;
unsigned int __count;
int __owner;
#if __WORDSIZE == 64
unsigned int __nusers;
#endif
/* KIND must stay at this position in the structure to maintain
binary compatibility. */
int __kind;
#if __WORDSIZE == 64
int __spins;
__pthread_list_t __list;
# define __PTHREAD_MUTEX_HAVE_PREV 1
#else
unsigned int __nusers;
__extension__ union
{
int __spins;
__pthread_slist_t __list;
};
#endif
} __data;
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
long int __align;
} pthread_mutex_t;
typedef union
{
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T];
long int __align;
} pthread_mutexattr_t;该定义来自glibc，其在glibc代码中的位置为./nptl/sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/bits/pthreadtypes.h。64位系统在安装glibc的时候会自动拷贝该文件(x86_64版本)到/usr/include/bits目录。
其中，
# define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T 40
# define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T 4关于__pthread_list_t(双向链表)和__pthread_slist_t(单向链表)的定义可参考源代码。
3.2 32位系统
file: /usr/include/bits/pthreadtypes.h
/* Data structures for mutex handling. The structure of the attribute
type is not exposed on purpose. */
typedef union
{
struct __pthread_mutex_s
{
int __lock;
unsigned int __count;
int __owner;
/* KIND must stay at this position in the structure to maintain
binary compatibility. */
int __kind;
unsigned int __nusers;
__extension__ union
{
int __spins;
__pthread_slist_t __list;
};
} __data;
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
long int __align;
} pthread_mutex_t;
typedef union
{
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T];
long int __align;
} pthread_mutexattr_t;该定义来自glibc，其在glibc代码中的位置为./nptl/sysdeps/unix/sysv/linux/i386/bits/pthreadtypes.h。32位系统在安装glibc的时候会自动拷贝该文件(i386版本)到/usr/include/bits目录。
其中，
#define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T 24
#define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T 43.3 pthread_mutex_t结构的内容
如下是在64位系统的实验结果。
(gdb) p data.mutex
$1 = {
__data = {
__lock = 0,
__count = 0,
__owner = 0,
__nusers = 0,
__kind = 0,
__spins = 0,
__list = {
__prev = 0x0,
__next = 0x0
}
},
__size = '\000' ,
__align = 0
} 4. 互斥量初始化与销毁
4.1 初始化
互斥量使用原则：使用前必须初始化，而且只被初始化一次；
(1) 静态初始化
- 使用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER声明具有默认属性的静态互斥量；
file: /usr/include/pthread.h
/* Mutex initializers. */
#if __WORDSIZE == 64
# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
{ { 0, 0, 0, 0, 0, 0, { 0, 0 } } }
# ifdef __USE_GNU
# define PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
{ { 0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP, 0, { 0, 0 } } }
# define PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP \
{ { 0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP, 0, { 0, 0 } } }
# define PTHREAD_ADAPTIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
{ { 0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP, 0, { 0, 0 } } }
# endif
#else
# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
{ { 0, 0, 0, 0, 0, { 0 } } }
# ifdef __USE_GNU
# define PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
{ { 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP, 0, { 0 } } }
# define PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP \
{ { 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP, 0, { 0 } } }
# define PTHREAD_ADAPTIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
{ { 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP, 0, { 0 } } }
# endif
#endif该文件在glibc代码中的位置为./nptl/sysdeps/pthread/pthread.h。
(2) 动态初始化
- 通过pthread_mutex_init()调用动态初始化互斥量；
- 使用场合
- 当使用malloc动态分配一个包含互斥量的数据结构时，应使用动态初始化；
- 若要初始化一个非缺省属性的互斥量，必须使用动态初始化；
- 也可动态初始化静态声明的互斥量，但必须保证每个互斥量在使用前被初始化，而且只能被初始化一次；
动态初始化代码可参考./nptl/pthread_mutex_init.c文件。其中__pthread_mutex_init()函数即对mutex的各个feild进行初始化。
4.2 销毁互斥量
使用pthread_mutex_destroy()释放互斥量。
注意
- 当确信没有线程在互斥量上阻塞，且互斥量没有被锁住时，可以立即释放；
- 不需要销毁一个使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER宏静态初始化的互斥量；
销毁互斥量代码可参考./nptl/pthread_mutex_destroy.c文件。其中__pthread_mutex_destroy()函数设置mutex的相应字段使其不可用。代码如下。
int
__pthread_mutex_destroy (mutex)
pthread_mutex_t *mutex;
{
if ((mutex->__data.__kind & PTHREAD_MUTEX_ROBUST_NORMAL_NP) == 0
&& mutex->__data.__nusers != 0)
return EBUSY;
/* Set to an invalid value. */
mutex->__data.__kind = -1;
return 0;
}
5 小结
本文简单介绍互斥量的基本概念，如何初始化和销毁及其注意问题。后文分析其加锁、解锁原理。
Reference