计算机操作系统基础(十一)---线程同步之互斥量

引言

本文为第十一篇，线程同步之互斥量，在前边的《计算机操作系统基础(四)---进程管理之进程同步》中提到了进程同步和线程同步的方法，本篇为线程同步方法之一---互斥量。建议重新回顾一下《计算机操作系统基础(四)---进程管理之进程同步》这篇文章，方便理解后边的几篇关于线程同步和进程同步的知识

互斥量

在进程同步的那篇文章中有介绍到生产者和消费者模型，该模型中有两个线程，分别充当生产者和消费者的角色，在并发的情况下，这两个线程很有可能同时去操作临界资源，如果同时去操作临界资源就有可能造成线程同步的问题，互斥量就是解决线程同步的方法之一

互斥量是如何解决这种问题的？

互斥量是保证当某一个线程，比如说线程1在操作临界资源时，它就可以阻止其它线程访问临界资源，这个就是互斥量的工作原理

在前边的生产者和消费者模型中，引发线程同步的最根本原因其实就是：这两个线程的指令交叉执行，互斥量可以保证两个线程的指令不会交叉的执行

其实互斥量的效果也称为原子性，互斥量其实就是保证了这些关键指令的原子性。原子性就是：

• 原子性是指一系列操作不可中断的特性
• 这一系列操作要么全部执行完成，要么全部没有执行
• 不存在部分执行，部分未执行的情况

就比如刚才的生产者的操作，生产者的操作分为三条指令，根据原子性的特性，这三条指令要么全部执行完成，要么全部未执行，不存在说执行了其中的一条或两条时CPU被抢走了

• 互斥量是最简单的线程同步方法
• 互斥量(互斥锁)，处于两种状态之一的变量：解锁和加锁
• 两个状态可以保证资源访问的串行(如果说一个资源被加锁了，也就是这个资源被某一个线程所使用了，另外一个线程如果想使用这个资源的话，只能等待正在使用这个资源的线程释放资源，另外一个线程才可以使用这个资源，这样就保证了资源访问的串行)

互斥锁的代码示例

未使用互斥量

#include
#include
#include
#include
$include

//临界资源
int num=0;

//生产者
void *producer(void*){
        int times = 100000000;//循环一百万次
        while(times--){
                num += 1;//每次生产一个产品
        }
}

//消费者
void *comsumer(void*){
        int times = 100000000;
        while(times--){
                num -= 1;//每次消费一个产品
        }
}

int main()
{
        printf("Start in main function.");
        //定义两个线程
        pthread_t thread1,thread2;
        //一个执行生成者逻辑，一个执行消费者逻辑
        pthread_create(&thread1, NULL, &producer, NULL);
        pthread_create(&thread2, NULL, &comsumer, NULL);
        pthread_join(&thread1, NULL);
        pthread_join(&thread2, NULL);
        //打印临界资源的值
        printf("Print in main function: num = %d\n", num);
}

运行结果：

虽然生产者和消费者循环的次数都是一样的，但是num的运行结果却不是0，这就存在生产者和消费者问题。通过互斥量来解决这个问题

使用互斥量

#include
#include
#include
#include
$include

//初始化互斥量
pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//临界资源
int num=0;

//生产者
void *producer(void*){
        int times = 100000000;//循环一百万次
        while(times--){
                //加锁
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                num += 1;//每次生产一个产品
                //解锁
               pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
}

//消费者
void *comsumer(void*){
        int times = 100000000;
        while(times--){
                //加锁
                pthread_mutex_lock(&mutex);
                num -= 1;//每次消费一个产品
                //解锁
               pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
}

int main()
{
        printf("Start in main function.");
        //定义两个线程
        pthread_t thread1,thread2;
        //一个执行生成者逻辑，一个执行消费者逻辑
        pthread_create(&thread1, NULL, &producer, NULL);
        pthread_create(&thread2, NULL, &comsumer, NULL);
        pthread_join(&thread1, NULL);
        pthread_join(&thread2, NULL);
        //打印临界资源的值
        printf("Print in main function: num = %d\n", num);
}

运行结果：

结果是0，说明加互斥量是有作用的。加锁之后其实会发现代码的执行时间会变长，这是因为加锁会带来性能的损耗

这就是互斥量的内容，示例是使用C语言进行编写，各种语言中也都有提供互斥量的API，PHP的互斥量API可参见这里：https://www.php.net/mutex

在快速变化的技术中寻找不变，才是一个技术人的核心竞争力。知行合一，理论结合实践