Linux多线程编程(二)---线程之间的同步与互斥

概述

由于线程共享进程的资源和地址空间，因此在对这些资源进行操作时，必须考虑到线程间资源访问的同步与互斥问题。这里主要介绍Posix中两种线程同步机制，分别为互斥锁和信号量。这两个同步机制可以通过互相调用对方来实现，但互斥锁更适用于同时可用的资源是唯一的情况；信号量更适用于同时可用的资源为多个的情况。

互斥锁

互斥锁是用一种简单的加锁方法来控制对共享资源的原子操作。这个互斥锁只有两种状态，即上锁和解锁，可以把互斥锁看做某种意义上的全局变量。在同一个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操作。若其他线程希望上锁一个已经被上锁的互斥锁，则该线程就会被挂起，直到上锁的线程释放掉互斥锁为止。可以说，这把互斥锁保证让每个线程对共享资源按顺序进行原子操作。

互斥锁机制主要包括以下基本函数：

● 互斥锁初始化：pthread_mutex_init()

● 互斥锁上锁：pthread_mutex_lock()

● 互斥锁判断上锁：pthread_mutex_trylock()

● 互斥锁解锁：pthread_mutex_unlock()

● 消除互斥锁：pthread_mutex_destroy()

其中，互斥锁可以分为快速互斥锁、递归互斥锁和检错互斥锁。这3种锁的区别主要在于其它未占有互斥锁的线程在希望得到互斥锁时是否需要阻塞等待。快速互斥锁是指调用线程会阻塞直至拥有互斥锁的线程解锁为止；递归互斥锁能够成功地返回，并且增加调用线程在互斥上加锁的次数而检错互斥锁则为快速互斥锁的非阻塞版本，它会立即返回并返回一个错误信息。默认属性为快速互斥锁。

信号量

信号量就是操作系统中多用到的PV原子操作，它广泛应用于进程或线程间的同步与互斥。信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。这里先简单复习一下PV原子操作的工作原理。详细的请看博客：http://blog.csdn.net/mybelief321/article/details/9086151

PV原子操作是对整数计数器信号量sem的操作。一次P操作使sem减1，而一次V操作使sem加1。进程（或线程）根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限。当信号量sem的值≥0时，该进程（或线程）具有公共资源的访问权限；相反，当信号量sem的值<0时，该进程（或线程）就将阻塞直到信号量sem的值≥0为止。

PV原子操作主要用于进程或线程间的同步和互斥这两种典型情况。若用于互斥，几个进程（或线程）往往只设置一个信号量sem，其操作流程如图1所示。当信号量用于同步操作时，往往会设置多个信号量，并安排不同的初始值来实现它们之间的顺序执行，其操作流程如图2所示。

Linux实现了Posix的无名信号量，主要用于线程间的互斥与同步。这里主要介绍几个常见函数：

● sem_init()用于创建一个信号量，并初始化它的值。

● sem_wait()和sem_trywait()都相当于P操作，在信号量>0时，它们能将信号量的值减1。两者的区别在于信号量<0时，sem_wait(0将会阻塞进程，而sem_trywait则会立即返回。

● sem_post()相当于V操作，它将信号量的值加1，同时发出信号来唤醒等待的进程。

● sem_getvalue()用于得到信号量的值。

● sem_destroy()用于删除信号量。

实验1

函数功能：在上一节实验6中，创建了3个进程，为了更好的描述线程之间的并行执行，让3个线程共用同一个执行函数。每个线程都有4次循环(可以看成4个小任务)，每次循环之间会随机等待1～10s的时间，意义在于模拟每个任务的到达时间是随机的，并没有任何特定的规律。但是可以看到执行结果是无序的。现在在原有代码的基础上增加互斥锁功能，实现原本独立与无序的多个线程按顺序执行。

代码：thread_mutex.c文件，点此下载

编译：gcc thread_mutex.c -o thread_mutex -lpthread

执行：./thread_mutex