Linux学习_线程的互斥

线程的同步和互斥

同步和互斥的概念

1. 线程同步

• 线程同步是一个宏观的概念，在微观上包含线程的相互排斥(注意和线程互斥的不一样)和线程先后执行的约束问题。
• 解决同步方式
  • 条件变量
  • 线程信号量

2. 线程互斥

• 线程执行是相互排斥的，一个线程在操作共享资源时，其他线程是处于阻塞状态或等待状态，不可以操作共享资源。
• 和线程同步相互排斥的区别是：线程互斥不考虑线程先后执行的约束问题。
• 解决互斥方式
  • 互斥锁
  • 读写锁
  • 线程信号量

保证同一时间操作共享资源的线程只有一个。

3. ATM线程冲突示例
   创建boy和girl线程同时对银行账户进行操作
   主函数：

typedef struct
{
     
	int code;
	double balance;
}Account,*pAccount;

//取款金额amt
extern double withdraw(pAccount a, double amt)
{
     
	if(amt<0 || amt> a->balance) return 0.0;
	double balance = a->balance;
	sleep(1);//模拟银行连接互联网取钱的延时
	balance -= amt;
	a->balance = balance;
	return amt; //成功则返回取款金额
}

//------------------------------------------------------------------------
/*
 * account_test.c
 * 创建boy和girl线程同时对银行账户进行操作
 */
//头文件
//--------------------------------
#include "account.h"
#include 
#include 
#include 
#include 
//--------------------------------

//结构体
//--------------------------------
typedef struct
{
     
	char name[20];
	pAccount account;
	double amt; //存取款金额
}OperArg;
//--------------------------------

//定义取款操作的线程运行函数
//--------------------------------
void* withdraw_fn(void* arg)
{
     
	OperArg *oa = (OperArg*)arg;
	double amt = withdraw(oa->account, oa->amt);
	
	printf("%8s(0x%lx) withdraw %f from account %d\n",\
	oa->name, pthread_self(), amt, oa->account->code);
	
	return (void*)0;
}
//--------------------------------

//定义存款操作的线程运行函数
//--------------------------------
void* deposit_fn(void* arg)
{
     
	OperArg *oa = (OperArg*)arg;
	double amt = deposit(oa->account, oa->amt);
	
	printf("%8s(0x%lx) deposit %f from account %d\n",\
	oa->name, pthread_self(), amt, oa->account->code);
	
	return (void*)0;
}
//--------------------------------

//定义检查银行账户的线程运行函数
//--------------------------------
void* check_fn(void* arg)
{
     
	return (void*)0;
}
//--------------------------------

//--------------------------------

//主函数
//--------------------------------
int main(void)
{
     
	int err;
	pthread_t boy, girl;
	pAccount a = create_account(100001, 10000);
	OperArg o1, o2; //o1,o2分别代表操作的两个用户
	
	strcpy(o1.name, "boy");
	o1.account = a;
	o1.amt = 10000;
	
	strcpy(o2.name, "girl");
	o2.account = a;
	o2.amt = 10000;
	
	//启动两个子线程(boy和girl)
	//同时操作同一个银行账户
	err = pthread_create(&boy, NULL,withdraw_fn, (void*)&o1);
	if(err != 0) perror("pthread create error");
	err = pthread_create(&girl, NULL,withdraw_fn, (void*)&o2);
	if(err != 0) perror("pthread create error");
	
	pthread_join(boy, NULL);
	pthread_join(girl, NULL);
	
	printf("account balance: %f\n", get_balance(a));
	destroy_account(a);
	
	return 0;
}

输出：

girl(0xb657e460) withdraw 10000.000000 from account 100001
boy(0xb6d7f460) withdraw 10000.000000 from account 100001
account balance: 0.000000

男生女生同时取款，都取到了10000元，相当于两人一共取了20000,这是不对的。
此时线程不安全。
分析：boy girl 两者共同调用了withdraw函数，在栈中都有一个空间，girl在boy延时睡眠时进来，此时账户里余额并未改变，于是两人得到的balance都为10000。

线程互斥——互斥锁(互斥量)

1. 概念：

• 互斥锁(mutex)是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问。在同一时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程能够对共享资源进行访问。若其他线程希望上锁一个已经被上了互斥锁的资源，则线程挂起，直到上锁的线程释放互斥锁为止。

2. 互斥锁数据类型

• pthread_mutex_t

3. 互斥锁的创建和销毁

#include 
int pthread_mutex_init(
								pthread_mutex_t* restrict mutex,
								const pthread_mutexattr_t* mutexattr);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t* mutex);

• 返回：成功返回0,否则返回错误编号。
• 参数：
  • mutex：互斥锁
  • mutexattr：互斥锁创建方式(一般写NULL，默认互斥锁类型)
    • PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：创建快速互斥锁
    • PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建递归互斥锁
    • PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP：创建检错互斥锁

4. 互斥锁上锁和解锁

#include 

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);
功能：上锁，拿不到锁则阻塞

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t* mutex);
功能：上锁，拿不到锁则返回出错信息

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);
功能：释放锁

返回：成功返回0,否则返回错误编号。

对ATM示例进行加锁

/*account.c
*/
typedef struct
{
     
	int code;
	double balance;
	//定义一把互斥锁，用来对多个线程操作的银行账户(共享资源)进行加锁(保护)
	//建议一把互斥锁绑定一个账户，尽量不设置成全局变量，否则可能出现一把锁去锁几百个银行账户导致并发性降低
	pthread_mutex_t mutex;
}Account,*pAccount;

#include "account.h"
#include 
#include 
#include 
#include 


//创建账户
extern pAccount create_account(int code, double balance)
{
     
	pAccount a = (pAccount)malloc(sizeof(Account));
	assert(a != NULL);
	a->code = code;
	a->balance = balance;
	//对互斥锁进行初始化
	pthread_mutex_init(&a->mutex, NULL);
	return a;
}

//销毁账户
extern void destroy_account(pAccount a)
{
     
	assert(a != NULL);
	//销毁互斥锁
	pthread_mutex_destroy(&a->mutex);
	free(a);
}

//取款金额amt
extern double withdraw(pAccount a, double amt)
{
     
	assert(a != NULL);
	//以下对共享资源从上锁到释放的代码区称为
	//对共享资源操作的临界区，犹如一个禁区
	
	//对共享资源(账户)加锁
	pthread_mutex_lock(&a->mutex);
	
	if(amt<0 || amt> a->balance) 
	{
     
		//释放互斥锁
		pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
		return 0.0;
	}
	double balance = a->balance;
	sleep(1);//模拟银行连接互联网取钱的延时
	balance -= amt;
	a->balance = balance;
	
	//释放互斥锁
	pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
	
	return amt; //成功则返回取款金额
}

//存款
extern double deposit(pAccount a, double amt)
{
     
	assert(a != NULL);
	
	//对共享资源(账户)加锁
	pthread_mutex_lock(&a->mutex);
	
	if(amt<0){
     
		//释放互斥锁
		pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
		return 0.0;
	}
	double balance = a->balance;
	sleep(1);
	balance += amt;
	a->balance = balance;
	
	//释放互斥锁
	pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
	return amt;
}

//查看账户余额
extern double get_balance(pAccount a)
{
     
	assert(a != NULL);
	//对共享资源(账户)加锁
	pthread_mutex_lock(&a->mutex);
	double balance = a->balance;
	//释放互斥锁
	pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
	return balance;
}

给每个线程加上锁，再运行主函数
输出：

 boy(0xb6dc5460) withdraw 10000.000000 from account 100001
 girl(0xb65c4460) withdraw 0.000000 from account 100001
account balance: 0.000000

5. 互斥锁属性创建和销毁

#include 
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t* attr);
int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t* attr);

• 返回：成功返回0,否则返回错误编号
• 参数：attr：互斥锁属性

6. 互斥锁进程共享属性操作

#include 

int pthread_mutexattr_getpshared(
										const pthread_mutexattr_t* restrict attr,
										int* restrict pshared);
										
int pthread_mutexattr_setpshared(
										pthread_mutexattr_t* attr,
										int pshared);

• 返回：成功返回0,否则返回错误编号
• 参数：
  • attr：互斥锁属性
  • pshared：进程共享属性
    • PTHREAD_PROCESS_PRIVATE(默认情况)
      • 锁只能用于一个进程内部的多个线程进行互斥
    • PTHREAD_PROCESS_SHARED
      • 锁可以用于两个不同进程中的线程进行互斥

7. 互斥锁类型操作

#include 

int pthread_mutexattr_gettype(
										const pthread_mutexattr_t* restrict attr,
										int* restrict type);
										
int pthread_mutexattr_settype(
										pthread_mutexattr_t* attr,
										int type);

• 返回：成功返回0,否则返回错误编号
• 参数：
  • attr：互斥锁属性
  • type：互斥锁类型
    • 标准互斥锁：PTHREAD_MUTEX_NORMAL
      • 第一次上锁成功，第二次上锁会阻塞。
    • 递归互斥锁：PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE
      • 第一次上锁成功，第二次以后上锁还是成功，内部计数。
    • 检错互斥锁：PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK
      • 第一次上锁成功，第二次上锁会出错。
    • 默认互斥锁：PTHREAD_MUTEX_DEFAULT(同标准互斥锁)

示例

/*
 * lock_type.c
 * 互斥锁类型
 */

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc, char **argv)
{
     
	pthread_mutex_t mutex;
	
	if(argc<2){
     
		printf("-usage:%s [error|normal|recursive]\n",argv[0]);exit(1);
	}
	
	//定义互斥锁属性
	pthread_mutexattr_t mutexattr;
	//初始化互斥锁属性
	pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
	//check argv传入的互斥锁类型
	if(!strcmp(argv[1],"error")){
     
		//设置互斥锁类型
		pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,\
		PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK);
		}
	else if(!strcmp(argv[1],"normal")){
     
		pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,\
		PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
		}
	else if(!strcmp(argv[1],"recursive")){
     
		pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,\
		PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
		}
	
	//按指定类型初始化互斥锁
	pthread_mutex_init(&mutex,&mutexattr);
	//上锁
	if(pthread_mutex_lock(&mutex)!=0)
	printf("lock failure\n");
	else
	printf("lock success\n");
	//第二次上锁
	if(pthread_mutex_lock(&mutex)!=0)
	printf("lock failure\n");
	else
	printf("lock success\n");
	//上两次锁，也需要释放两次
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	
	//销毁互斥锁和属性
	pthread_mutexattr_destroy(&mutexattr);
	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	
	return 0;
}

输出：

$ ./lock_type error
lock success
lock failure
$ ./lock_type recursive
lock success
lock success
$ ./lock_type normal
lock success

^C
$

线程互斥——读写锁

1. 概念

• 线程使用互斥锁缺乏读并发性。
• 当读操作较多，写操作较少时，可使用读写锁提高线程读并发性。
• 读写锁数据类型
  • pthread_rwlock_t

2. 读写锁创建和销毁

#include 

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t* restrict rwlock,\
						const pthread_rwlockattr_t* restrict attr);
						
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t* rwlock);

• 返回：成功返回0,否则返回错误编号
• 参数：
  • rwlock：读写锁
  • attr：读写锁属性

3. 读写锁加锁和解锁

#include 
//功能：加读锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

//功能：加写锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

//功能：释放锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

• 返回：成功返回0,否则返回错误编号
• 参数：
  • rwlock：读写锁

4. 示例：

/*
 * rwlock_feature.c
 * 
 */

#include 
#include 
#include 
#include 

//定义读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;

int main(int argc, char **argv)
{
     
	if(argc<3){
     
		printf("-usage:%s [r|w] [r|w]\n",argv[0]);
		exit(1);
	}
	//读写初始化
	pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);
	
	if(!strcmp("r",argv[1])){
     
		//加读锁
		if(pthread_rwlock_rdlock(&rwlock) != 0)
		{
     printf("first read lock failure\n");}
		else
		{
     printf("first read lock success\n");}
	}
	
	if(!strcmp("w",argv[1])){
     
		//加写锁
		if(pthread_rwlock_wrlock(&rwlock) != 0)
		{
     printf("first write lock failure\n");}
		else
		{
     printf("first write lock success\n");}
	}
	
	if(!strcmp("r",argv[2])){
     
		//加读锁
		if(pthread_rwlock_rdlock(&rwlock) != 0)
		{
     printf("second read lock failure\n");}
		else
		{
     printf("second read lock success\n");}
	}
	
	if(!strcmp("w",argv[2])){
     
		//加写锁
		if(pthread_rwlock_wrlock(&rwlock) != 0)
		{
     printf("second write lock failure\n");}
		else
		{
     printf("second write lock success\n");}
	}
	
	//释放读写锁
	pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
	pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
	
	return 0;
}

输出：

$ ./rwlock_feature r r
first read lock success
second read lock success

$ ./rwlock_feature r w
first read lock success
^C

$ ./rwlock_feature w w
first write lock success
second write lock failure

$ ./rwlock_feature w r
first write lock success
second read lock failure

分析：

• 读和读：不排斥
• 读和写\写和读：排斥(后一个线程阻塞或失败)
• 写和写：排斥