学习系统编程No.32【线程互斥实战】

引言：

北京时间：2023/7/19/15:22，昨天更新完博客，和舍友下了一会棋，快乐就是这么简单，哈哈哈！总体来说，摆烂程度得到一定的改善，想要达到以前的水准，需要一定的契机，毕竟人生在世，快乐最重要是吧！更文带给我的快乐已经没有那么多了，虽然欠了非常多的作业，非常多的课需要补，很多的题等着我去刷，怎叹一个懒字了得，本质还是作息控制不住，哎！这周小目标更文4篇，只要能达到这个水准，其它的都好说，想到还有那么多课没有看，现在真的挺头疼！不管那么多，正式进入该篇博客的正题，承接上篇博客有关多线程互斥和同步相关的知识，该篇博客我们继续深入理解一下有关线程的互斥和同步吧！

深入线程互斥

承接上篇博客有关线程互斥相关知识，此时我们在深入理解一下线程互斥。在上篇博客中，我们重点强调了为什么要进行线程互斥和如何进行线程互斥，也就是如何让一份共享资源变为临界资源，每次访问共享资源时，只能有一个线程获得资源的使用权（加锁），其他线程必须等待，直到该线程释放资源后才能继续执行（解锁）。并且在此基础上，我们还简单介绍了有关线程互斥的相关线程库接口，如：pthread_mutex_init,pthread_mutex_lock,pthread_mutex_unlock,pthread_mutex_destroy ，当然我们也明白，在使用这些线程互斥接口的前提是我们定义了一个全局的锁，pthread_mutex_t mutex; 在使用文档中，当我们定义了一个全局的锁结构时，该锁结构是一定需要进行初始化和销毁，也就是必须使用pthread_mutex_init接口和pthread_mutex_destroy，但是使用文档中也给我们提供了另一种方法，让我们可以不需要使用这两个接口，就能完成锁结构的初始化和销毁，在定义锁结构时直接在其后面添加对应的宏结构，pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;这样就可以直接在定义锁的同时，完成对锁的初始化和最终锁的销毁，更简便的供给我们使用。那么此时有的同学就会有问题了，有了这个宏定义，还需要之前初始化和销毁的接口干嘛呢？答案是，使用宏定义快速对锁进行初始化的前提是该锁是一个全局变量的锁，只有是全局变量的锁才有资格使用pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;方法，因为如果对应的锁是局部变量，那么就会导致当函数调用完之后，对应的局部变量锁随着栈帧的销毁而销毁，最终导致编译器无法根据地址再找到对应的锁结构，造成资源泄露问题，所以当定义一个局部变量的锁时，此时就只能使用pthread_mutex_init接口和pthread_mutex_destroy接口进行对应的初始化和销毁。当然此时还没有讲清楚，为什么局部变量不能用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER方法，只有全局变量可以，这是因为如果使用了 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER方法，本质是将对应的锁变量初始化为默认值，并且将其存储在静态区中，使其生命周期与该进程的声明周期相同，当进程结束，操作系统就会自动回收该锁变量占用的资源，达到销毁目的，所以这也就是为什么局部变量锁不能使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER方法的原因。

互斥锁细节介绍
搞定了上述知识，此时我们对锁就有了进一步的理解，当然想要彻底搞定锁相关的知识，重点是搞定锁的实现原理，明白它为什么可以让共享资源变成临界资源，不过在了解锁实现原理之前，此时我们先来谈谈有关加锁方面的细节知识，如：一个共享资源只允许使用一把锁进行保护，不然就有可能导致死锁问题。并且在进行加锁时，加锁的位置一定要合理，尽量细化，只要将共享资源保护起来就行，不允许大范围加锁，否则会导致代码执行效率非常低。然后还要明白，对于锁来说，加锁和解锁本身就是一个原子结构，也就是因为锁也属于共享资源，如果不对锁进行保护的话，那么同理会导致竞态条件问题，所以锁的设计者在设计锁的时候，已经将锁设计为原子结构，也就是当一个线程在访问一个锁的时候，别的线程不允许访问该锁。最后还要明白，一个临界区不仅仅只是一行代码，也可能是一批代码，所以当某个线程在执行该临界区中的代码时，该线程有可能会因为时间片到了，而被操作系统调度，使得对应临界区中的代码没有执行完，但是这并不会导致其它线程可以访问对应的临界资源，因为加锁之后，无论临界区的代码是否执行完毕，其它线程都无法访问到对应的临界资源，这也正是加锁之后带来的线程串行化表现。

锁的基本实现原理
搞定了上述知识，我们正式进入锁的实现原理讲解，首先明白，锁本质就是一个互斥量，因为其可以保护共享资源，也就是只让一个线程访问对应的资源，所以我们将这种特性（互斥）称之为锁，也叫互斥锁。明白了这点之后，接下来我们要搞定的也就是互斥量如何进行互斥，从而让多个线程访问共享资源时，只有一个线程能够成功访问，如下图所示：

如上图所示，此时我们明白，对于所有线程来说，它们在同时访问同一份共享资源时，因为我们进行了加锁操作（pthread_mutex_lock），所以它们在访问该共享资源之前就需要执行加锁接口相关的代码，也就是如上图所示的伪代码，首先它们要将自己上下文中的%al变量初始化为0，然后再使用exchange接口将我们事先定义并且初始化好的锁变量（mutex）从内存中交换到寄存器，也就是交换到自己的上下文中，让%al由0变1，让mutex由1变0，完成了这一步骤之后，对应的线程就实现了互斥操作，也就是我们所说的加锁，并且此时mutex就是该互斥操作中的互斥量。交换的目的就是让这个互斥量只被一个线程拿到，当下一个线程也要交换时，由于mutex互斥量已经变为了锁定状态（0），此时它就无法获取到mutex中的1（未锁定状态），从而无法执行pthread_mutex_lock中的后序代码，只能被操作系统挂起等待（if语句判断）。最后明白一点，也就是我们一直说的锁是共享资源，却不会造成竞态条件的原因是因为其设计成了原子性，从上图我们就能看出，一个线程在执行对应加锁代码时，其中获取互斥量的过程，仅仅就只是一个交换语句，所以可以明白，对于线程来说，单独一句代码，要么执行，要么就是不执行，所以对于加锁操作，它天生就是原子性的。

所以同理解锁操作，就是将mutex的值由0变1，这样，下一个线程在执行加锁操作时，就可以获取到对应mutex互斥量中的1，因为此时mutex处于未锁定状态（1），同理获取到之后（交换）mutex就又会处于锁定状态（0），所以这也是为什么有加锁操作，就一定要有解锁操作，否则就会造成死锁，无论是那个线程都无法访问到该共享资源。

线程封装

明白了上述有关互斥锁的相关知识之后，此时我们进行线程的封装，也就是对pthread.h头文件中有关线程控制相关接口的封装，实现一个自己的简易线程库，当然无论是在C++，还是Java中，它们的线程库都是和我们一样，对pthread.h头文件进行的封装，只不过在设计上不同，所以导致不同的语言在线程库的使用上不同，本质原因就是封装的方法不同，如下代码所示，就是我们自己对线程库的一个封装：

如上图所示，此时我们就使用Thread类，完成了对线程库的一个简易封装，重点就是注意参数类型和函数指针传参方面的问题，并且还要注意有关静态成员函数相关的知识，也就是如果在一个类中，你因为参数的原因，无法使用this指针，那么此时你就可以使用静态成员函数，使用static声明，这样就完成了该成员函数和类之间的解耦，但是，因为你将该成员函数和类解耦，所以也就导致该成员函数没有this指针，最终导致该成员函数无法访问到类中的成员变量，具体如何解耦这里我们不详谈，这里注意，明白会用就行。

互斥锁的封装

明白了上述有关线程库的封装，此时我们再来看看有关互斥锁的封装，当然此时的封装还是同理对系统接口进行封装，而不是对伪代码进行封装，本质就是为了让我们可以更方便的使用加锁和解锁，如下代码所示：

此时我们就完成了对锁的封装，那么此时有的同学就会问了，为什么要这样对锁进行封装呢？如下代码所示：本质就是为了让加锁和解锁操作变得更加简易

如上图所示，通过两种不同的加锁和解锁操作，我们发现，如果将加锁和解锁操作封装在一个类的构造和析构函数中，然后通过对该类对象进行传参，这样可以非常方便的完成对共享资源的保护。

总结：有关线程互斥，互斥锁的基本原理和封装，有关线程等相关知识我们就讲到这里啦！更多有关线程互斥与同步的知识，我们下篇博客见。