操作系统~Linux~线程的互斥，mutex互斥锁的使用及其原理

1.一些基本概念

        1．临界资源：凡是被线程共享访问的资源都是临界资源（多线程、多进程打印数据到显示器，显示器就是临界资源）

        2．临界区：代码中访问临界资源的代码（在代码中，不是所有的代码都是进行访问临界资源的。而访问临界资源的代码区域我们称之为临界区)

        3．对临界区进行保护的功能，本质就是对临界资源的保护。方式：互斥或者同步

        4．互斥：在任意时刻，只允许一个执行流访问某段代码（访问某部分资源〉，就可以称之为互斥

        5.同步：一般而言，让访问临界资源的过程在安全的前提下（一般都是互斥and原子的），让访问资源具有一定的顺序性（具有合理性，比如可以防止饥饿问题）

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2.多线程不安全的情况

造成线程并不安全的因素有很多，这里讨论非原子性的情况，可以通过加锁来解决该问题

比如我们对一个变量进行--操作，a--并不是原子的

如果有一个线程要执行a--操作，需要经过下面三步

• 1.load ：将共享变量a从内存加载到寄存器中
• 2.update : 更新寄存器里面的值，执行-1操作
• 3.store ：将新值，从寄存器写回共享变量a的内存地址

假设a的初始值是1000，线程A执行a--操作

        如果线程A执行完第二步，此时线程A时间片到了，线程A处理完的寄存器中的数据999保存在它自己的上下文中，然后在等待队列里面等待调度。

        此时线程B来了，把三步操作全部完成，让a减少了900，此时内存中的a被修改为100，然后线程A再继续完成最后一步操作，把999写回了内存中，此时内存中的a值又变成了999，这就导致了结果错误，也就是线程不安全的情况。

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3.互斥锁pthread_mutex的使用

• 定义锁

pthread_mutex_t mutex;

• 初始化锁

方法一：静态分配

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

方法二：动态分配

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

参数：

mutex：要初始化的互斥量

attr：NULL

• 释放锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

1.使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER静态分配初始化的互斥量不需要销毁

2.不要销毁一个已经加锁的互斥量

3.已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁

• 加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

• 解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值:成功返回0,失败返回错误号

实现线程安全的抢票程序

主要是对上述几个方法的使用

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
const int N = 1000;

class Tickets
{
private:
    int tickets;  //当前票的数量
    pthread_mutex_t mtx;  //定义互斥锁mtx
    //这里可以将pthread_mutex互斥锁定义为成员变量，或者之后用到的地方定义为成员变量都可以
public:
    Tickets():tickets(N)
    {
        pthread_mutex_init(&mtx,nullptr);  //使用动态初始化的方式初始化互斥锁
    }

    ~Tickets()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mtx);  //释放锁
    }

    bool getTicket()  //返回值为bool类型，后续让多个线程抢票，如果没有抢到票就需要停下来
    {
        bool res = true;
        //如果pthread_mutex互斥锁不定义为成员变量，可以在这里定义成静态局部变量
        pthread_mutex_lock(&mtx);  //加锁
        if(tickets > 0)
        {
            usleep(10000);  //休眠1000us，模拟抢票时间
            cout << "我的线程id是: " << pthread_self() << ",我抢到的票是第" << N-tickets+1 <<"张" << endl;
            tickets--;
        }
        else
        {
            cout << "我的线程id是: " << pthread_self() << ",我发现票已经被抢完了" << endl;
            res = false;
        }
        tickets--;
        pthread_mutex_unlock(&mtx);  //解锁

        return res;
    }
};

void *threadRoutine(void *args)
{
    pthread_detach(pthread_self());  //主线程中不关注新线程的返回值，所以可以detach分离线程
    Tickets *it = (Tickets*)args;  //注意需要将参数强转成Tickets*类型
    cout << "tests" << endl;
    while(true)
    {
        bool res = it->getTicket();
        if(res == false)
        {
            break;
        }
    }
}


int main()
{
    int n = 5;
    pthread_t tid[n];
    Tickets *ticket = new Tickets();  //ticket对象之后要作为参数传入线程执行函数中，所以这里定义为指针
    for(int i = 0; i < n; i++)
    {
        pthread_create(&tid[i],nullptr,threadRoutine,ticket);
    }
    pthread_exit(nullptr);  //新线程全部detach，主线程要先退出，否则会执行到return语句，从而进程被终止，其他新线程也就会被终止
    return 0;
}

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4.互斥锁pthread_mutex的原理

该原理主要是为了证明mutex锁本身是线程安全的，也就是lock和unlock操作是原子的。

有一行代码底层操作的时候只有一行汇编的时候，这行代码就是原子的。

原理分析：

        1.mutex这个互斥量首先被保存在内存中，初始值是1，表示可以锁没有被占用。

        2.此时线程A和线程B竞争锁，线程A竞争成功，首先执行mov指令，将0值设置到寄存器中，此时寄存器中的数值就是线程A的上下文数据，就算mov完线程A被切走，回来的时候还是会恢复当前的上下文继续执行；

        3.第二步线程A执行xchgb指令，将寄存器中的值（0）和内存中mutex的值（1）进行交换，mutex互斥锁保证自己线程安全的核心就在这里，用一条汇编指令，将CPU寄存器中的内容与内存中的内容完成了交换。此时就算A被切走，其他线程获取内存中mutex的值的时候获取到的都是0，没有办法拿到锁，只能等待A解锁。

        4.第三步线程A判断寄存器中的内容是否>0，交换完以后，线程A相当于把获取到的互斥量（互斥锁）mutex保存在自己的上下文数据中了，也就是此时该寄存器中的内容，如果从内存中获取的mutex值>0，那就进入临界区，访问临界资源。

        5.如果线程A占用着锁，其他线程获取内存中mutex值的时候，会进入else逻辑，挂起等待，直到线程A解锁的时候，才会被唤醒，从而go to lock继续竞争锁。

        6.当线程A在执行临界区内的代码时，线程A可能会被切走，进入等待队列，此时内存中mutex值并不会发生变化。线程A被切走的时候，它的上下文数据也会被保护起来一起切走，此时锁的数据是保存在上下文中的，所以线程A相当于是抱着锁走的。在这个期间，其他线程不可能成功竞争到锁。

        7.站在其他线程的视角，线程A访问临界区就是原子性的了

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