多线程编程指南
使用互斥锁
表 4–3 列出了用来处理互斥锁的函数。
表 4–3 互斥锁的例程| 操作 |
相关函数说明 |
|---|---|
| 初始化互斥锁 |
pthread_mutex_init 语法 |
| 使互斥锁保持一致 |
pthread_mutex_consistent_np 语法 |
| 锁定互斥锁 |
pthread_mutex_lock 语法 |
| 解除锁定互斥锁 |
pthread_mutex_unlock 语法 |
| 使用非阻塞互斥锁锁定 |
pthread_mutex_trylock 语法 |
| 销毁互斥锁 |
pthread_mutex_destroy 语法 |
缺省调度策略 SCHED_OTHER 不指定线程可以获取锁的顺序。如果多个线程正在等待一个互斥锁，则获取顺序是不确定的。出现争用时，缺省行为是按优先级顺序解除线程的阻塞。
初始化互斥锁
使用 pthread_mutex_init(3C) 可以使用缺省值初始化由 mp 所指向的互斥锁，还可以指定已经使用 pthread_mutexattr_init() 设置的互斥锁属性。mattr 的缺省值为 NULL。对于 Solaris 线程，请参见mutex_init(3C) 语法。
pthread_mutex_init 语法
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mp,
const pthread_mutexattr_t *mattr);
#include <pthread.h> pthread_mutex_t mp = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; pthread_mutexattr_t mattr; int ret; /* initialize a mutex to its default value */ ret = pthread_mutex_init(&mp, NULL); /* initialize a mutex */ ret = pthread_mutex_init(&mp, &mattr);
如果互斥锁已初始化，则它会处于未锁定状态。互斥锁可以位于进程之间共享的内存中或者某个进程的专用内存中。
注 –初始化互斥锁之前，必须将其所在的内存清零。
将 mattr 设置为 NULL 的效果与传递缺省互斥锁属性对象的地址相同，但是没有内存开销。
使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏可以将以静态方式定义的互斥锁初始化为其缺省属性。
当其他线程正在使用某个互斥锁时，请勿重新初始化或销毁该互斥锁。如果任一操作没有正确完成，将会导致程序失败。如果要重新初始化或销毁某个互斥锁，则应用程序必须确保当前未使用该互斥锁。
pthread_mutex_init 返回值
pthread_mutex_init() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EBUSY
描述:该实现已检测到系统尝试重新初始化 mp 所引用的对象，即以前进行过初始化但 尚未销毁的互斥锁。
EINVAL
描述:mattr 属性值无效。互斥锁尚未修改。
EFAULT
描述:mp 所指向的互斥锁的地址无效。
使互斥保持一致
如果某个互斥锁的属主失败，该互斥锁可能会变为不一致。
使用 pthread_mutex_consistent_np 可使互斥对象 mutex 在其属主停止之后保持一致。
pthread_mutex_consistent_np 语法
#include <pthread.h> int pthread_mutex_consistent_np(pthread_mutex_t *mutex);注 –
仅当定义了 _POSIX_THREAD_PRIO_INHERIT 符号时，pthread_mutex_consistent_np() 才适用，并且仅适用于使用协议属性值 PTHREAD_PRIO_INHERIT 初始化的互斥锁。
调用 pthread_mutex_lock() 会获取不一致的互斥锁。EOWNWERDEAD 返回值表示出现不一致的互斥锁。
持有以前通过调用 pthread_mutex_lock() 获取的互斥锁时可调用 pthread_mutex_consistent_np()。
如果互斥锁的属主失败，则该互斥锁保护的临界段可能会处于不一致状态。在这种情况下，仅当互斥锁保护的临界段可保持一致时，才能使该互斥锁保持一致。
针对互斥锁调用 pthread_mutex_lock()、pthread_mutex_unlock() 和 pthread_mutex_trylock() 会以正常方式进行。
对于不一致或者未持有的互斥锁，pthread_mutex_consistent_np() 的行为是不确定的。
pthread_mutex_consistent_np 返回值
pthread_mutex_consistent_np() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。
pthread_mutex_consistent_np() 会在出现以下情况时失败：
ENOSYS
描述:选项 _POSIX_THREAD_PRIO_INHERIT 未定义，或者该实现不支持 pthread_mutex_consistent_np()。
pthread_mutex_consistent_np() 可能会在出现以下情况时失败：
EINVAL
描述:mattr 属性值无效。
锁定互斥锁
使用 pthread_mutex_lock(3C) 可以锁定 mutex 所指向的互斥锁。
pthread_mutex_lock 语法
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
#include <pthread.h> pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_ mutex_lock(&mp); /* acquire the mutex */
当 pthread_mutex_lock() 返回时，该互斥锁已被锁定。调用线程是该互斥锁的属主。如果该互斥锁已被另一个线程锁定和拥有，则调用线程将阻塞，直到该互斥锁变为可用为止。 对于 Solaris 线程，请参见mutex_lock 语法。
如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_NORMAL，则不提供死锁检测。尝试重新锁定互斥锁会导致死锁。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或未锁定，则将产生不确定的行为。
如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，则会提供错误检查。如果某个线程尝试重新锁定的互斥锁已经由该线程锁定，则将返回错误。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或者未锁定，则将返回错误。
如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE，则该互斥锁会保留锁定计数这一概念。线程首次成功获取互斥锁时，锁定计数会设置为 1。线程每重新锁定该互斥锁一次，锁定计数就增加1。线程每解除锁定该互斥锁一次，锁定计数就减小 1。 锁定计数达到 0时，该互斥锁即可供其他线程获取。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或者未锁定，则将返回错误。
如果互斥锁类型是 PTHREAD_MUTEX_DEFAULT，则尝试以递归方式锁定该互斥锁将产生不确定的行为。对于不是由调用线程锁定的互斥锁，如果尝试解除对它的锁定，则会产生不确定的行为。如果尝试解除锁定尚未锁定的互斥锁，则会产生不确定的行为。
pthread_mutex_lock 返回值
pthread_mutex_lock() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EAGAIN
描述:由于已超出了互斥锁递归锁定的最大次数，因此无法获取该互斥锁。
EDEADLK
描述:当前线程已经拥有互斥锁。
如果定义了 _POSIX_THREAD_PRIO_INHERIT 符号，则会使用协议属性值 PTHREAD_PRIO_INHERIT 对互斥锁进行初始化。此外，如果 pthread_mutexattr_setrobust_np() 的 robustness 参数是 PTHREAD_MUTEX_ROBUST_NP，则该函数将失败并返回以下值之一：
EOWNERDEAD
描述:该互斥锁的最后一个属主在持有该互斥锁时失败。该互斥锁现在由调用方拥有。调用方必须尝试使该互斥锁所保护的状态一致。
如果调用方能够使状态保持一致，请针对该互斥锁调用 pthread_mutex_consistent_np() 并解除锁定该互斥锁。以后对 pthread_mutex_lock() 的调用都将正常进行。
如果调用方无法使状态保持一致，请勿针对该互斥锁调用 pthread_mutex_init()，但要解除锁定该互斥锁。以后调用 pthread_mutex_lock() 时将无法获取该互斥锁，并且将返回错误代码 ENOTRECOVERABLE。
如果获取该锁的属主失败并返回 EOWNERDEAD，则下一个属主获取该锁时将返回 EOWNERDEAD。
-
以前获取该锁时返回 EOWNERDEAD
-
该属主无法清除此状态
-
该属主已经解除锁定了该互斥锁，但是没有使互斥锁状态保持一致
ENOTRECOVERABLE
描述:尝试获取的互斥锁正在保护某个状态，此状态由于该互斥锁以前的属主在持有该锁时失败而导致不可恢复。尚未获取该互斥锁。如果满足以下条件，则可能出现此不可恢复的情况：
ENOMEM
描述:已经超出了可同时持有的互斥锁数目的限制。
解除锁定互斥锁
使用 pthread_mutex_unlock(3C) 可以解除锁定 mutex 所指向的互斥锁。 对于 Solaris 线程，请参见mutex_unlock 语法。
pthread_mutex_unlock 语法
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
#include <pthread.h> pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_mutex_unlock(&mutex); /* release the mutex */
pthread_mutex_unlock() 可释放 mutex 引用的互斥锁对象。互斥锁的释放方式取决于互斥锁的类型属性。 如果调用 pthread_mutex_unlock() 时有多个线程被 mutex 对象阻塞，则互斥锁变为可用时调度策略可确定获取该互斥锁的线程。 对于 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 类型的互斥锁，当计数达到零并且调用线程不再对该互斥锁进行任何锁定时，该互斥锁将变为可用。
pthread_mutex_unlock 返回值
pthread_mutex_unlock() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下情况，该函数将失败并返回对应的值。
EPERM
描述:当前线程不拥有互斥锁。
使用非阻塞互斥锁锁定
使用 pthread_mutex_trylock(3C) 可以尝试锁定 mutex 所指向的互斥锁。对于 Solaris 线程，请参见mutex_trylock 语法。
pthread_mutex_trylock 语法
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
#include <pthread.h> pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_mutex_trylock(&mutex); /* try to lock the mutex */
pthread_mutex_trylock() 是 pthread_mutex_lock() 的非阻塞版本。如果 mutex 所引用的互斥对象当前被任何线程（包括当前线程）锁定，则将立即返回该调用。否则，该互斥锁将处于锁定状态，调用线程是其属主。
pthread_mutex_trylock 返回值
pthread_mutex_trylock() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EBUSY
描述:由于 mutex 所指向的互斥锁已锁定，因此无法获取该互斥锁。
EAGAIN
描述:由于已超出了 mutex 的递归锁定最大次数，因此无法获取该互斥锁。
如果定义了 _POSIX_THREAD_PRIO_INHERIT 符号，则会使用协议属性值 PTHREAD_PRIO_INHERIT 对互斥锁进行初始化。此外，如果 pthread_mutexattr_setrobust_np() 的 robustness 参数是 PTHREAD_MUTEX_ROBUST_NP，则该函数将失败并返回以下值之一：
EOWNERDEAD
描述:该互斥锁的最后一个属主在持有该互斥锁时失败。该互斥锁现在由调用方拥有。调用方必须尝试使该互斥锁所保护的状态一致。
如果调用方能够使状态保持一致，请针对该互斥锁调用 pthread_mutex_consistent_np() 并解除锁定该互斥锁。以后对 pthread_mutex_lock() 的调用都将正常进行。
如果调用方无法使状态保持一致，请勿针对该互斥锁调用 pthread_mutex_init()，而要解除锁定该互斥锁。以后调用 pthread_mutex_trylock() 时将无法获取该互斥锁，并且将返回错误代码 ENOTRECOVERABLE。
如果已获取该锁的属主失败并返回 EOWNERDEAD，则下一个属主获取该锁时返回 EOWNERDEAD。
-
以前获取该锁时返回 EOWNERDEAD
-
该属主无法清除此状态
-
该属主已经解除锁定了该互斥锁，但是没有使互斥锁状态保持一致
ENOTRECOVERABLE
描述:尝试获取的互斥锁正在保护某个状态，此状态由于该互斥锁以前的属主在持有该锁时失败而导致不可恢复。尚未获取该互斥锁。 以下条件下可能会出现此情况：
ENOMEM
描述:已经超出了可同时持有的互斥锁数目的限制。
销毁互斥锁
使用 pthread_mutex_destroy(3C) 可以销毁与 mp 所指向的互斥锁相关联的任何状态。 对于 Solaris 线程，请参见mutex_destroy 语法。
pthread_mutex_destroy 语法
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mp);
#include <pthread.h> pthread_mutex_t mp; int ret; ret = pthread_mutex_destroy(&mp); /* mutex is destroyed */
请注意，没有释放用来存储互斥锁的空间。
pthread_mutex_destroy 返回值
pthread_mutex_destroy() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EINVAL
描述:mp 指定的值不会引用已初始化的互斥锁对象。
互斥锁定的代码示例
示例 4–1 显示了使用互斥锁定的一些代码段。
示例 4–1 互斥锁示例
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t count_mutex;
long long count;
void
increment_count()
{
pthread_mutex_lock(&count_mutex);
count = count + 1;
pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
}
long long
get_count()
{
long long c;
pthread_mutex_lock(&count_mutex);
c = count;
pthread_mutex_unlock(&count_mutex);
return (c);
}
示例 4–1 中的两个函数将互斥锁用于不同目的。increment_count() 函数使用互斥锁确保对共享变量进行原子更新。get_count() 函数使用互斥锁保证以原子方式读取 64 位数量 count。在 32 位体系结构上，long long 实际上是两个 32 位数量。
读取整数值时执行的是原子运算，因为整数是大多数计算机中常见的字长。
锁分层结构的使用示例
有时，可能需要同时访问两个资源。您可能正在使用其中的一个资源，随后发现还需要另一个资源。如果两个线程尝试声明这两个资源，但是以不同的顺序锁定与这些资源相关联的互斥锁，则会出现问题。例如，如果两个线程分别锁定互斥锁 1 和互斥锁2，则每个线程尝试锁定另一个互斥锁时，将会出现死锁。示例 4–2 说明了可能的死锁情况。
示例 4–2 死锁
| 线程 1 |
线程 2 |
|
|---|---|---|
| pthread_mutex_lock(&m1);
/* use resource 1 */
pthread_mutex_lock(&m2);
/* use resources 1 and 2 */ pthread_mutex_unlock(&m2); pthread_mutex_unlock(&m1); |
pthread_mutex_lock(&m2);
/* use resource 2 */
pthread_mutex_lock(&m1);
/* use resources 1 and 2 */ pthread_mutex_unlock(&m1); pthread_mutex_unlock(&m2); |
|
避免此问题的最佳方法是，确保线程在锁定多个互斥锁时，以同样的顺序进行锁定。如果始终按照规定的顺序锁定，就不会出现死锁。此方法称为锁分层结构，它通过为互斥锁指定逻辑编号来对这些锁进行排序。
另外，请注意以下限制：如果您持有的任何互斥锁其指定编号大于 n，则不能提取指定编号为 n 的互斥锁。
但是，不能始终使用此方法。有时，必须按照与规定不同的顺序提取互斥锁。要防止在这种情况下出现死锁，请使用 pthread_mutex_trylock()。如果线程发现无法避免死锁时，该线程必须释放其互斥锁。
示例 4–3 条件锁定
| 线程 1 |
线程 2 |
|---|---|
| pthread_mutex_lock(&m1); pthread_mutex_lock(&m2);
/* no processing */
pthread_mutex_unlock(&m2); pthread_mutex_unlock(&m1); |
for (; ;) { pthread_mutex_lock(&m2);
if(pthread_mutex_trylock(&m1)==0) /* got it */ break; /* didn't get it */ pthread_mutex_unlock(&m2); } /* get locks; no processing */ pthread_mutex_unlock(&m1); pthread_mutex_unlock(&m2); |
在示例 4–3 中，线程 1 按照规定的顺序锁定互斥锁，但是线程 2 不按顺序提取互斥锁。要确保不会出现死锁，线程 2 必须非常小心地提取互斥锁 1。如果线程 2 在等待该互斥锁释放时被阻塞，则线程 2 可能刚才已经与线程 1 进入了死锁状态。
要确保线程 2 不会进入死锁状态，线程 2 需要调用 pthread_mutex_trylock()，此函数可在该互斥锁可用时提取它。如果该互斥锁不可用，线程 2 将立即返回并报告提取失败。此时，线程 2 必须释放互斥锁 2。线程 1 现在会锁定互斥锁 2，然后释放互斥锁 1 和互斥锁 2。
嵌套锁定和单链接列表的结合使用示例
示例 4–4 和示例 4–5 说明了如何同时提取三个锁。通过按照规定的顺序提取锁可避免出现死锁。
示例 4–4 单链接列表结构
typedef struct node1 {
int value;
struct node1 *link;
pthread_mutex_t lock;
} node1_t;
node1_t ListHead;
本示例针对每个包含一个互斥锁的节点使用单链接列表结构。要将某个节点从列表中删除，请首先从 ListHead 开始搜索列表，直到找到所需的节点为止。ListHead 永远不会被删除。
要防止执行此搜索时产生并发删除，请在访问每个节点的任何内容之前先锁定该节点。由于所有的搜索都从 ListHead 开始，并且始终按照列表中的顺序提取锁，因此不会出现死锁。
因为更改涉及到两个节点，所以找到所需的节点之后，请锁定该节点及其前序节点。因为前序节点的锁总是最先提取，所以可再次防止出现死锁。示例 4–5 说明如何使用 C 代码来删除单链接列表中的项。
示例 4–5 单链接列表和嵌套锁定
node1_t *delete(int value)
{
node1_t *prev, *current;
prev = &ListHead;
pthread_mutex_lock(&prev->lock);
while ((current = prev->link) != NULL) {
pthread_mutex_lock(¤t->lock);
if (current->value == value) {
prev->link = current->link;
pthread_mutex_unlock(¤t->lock);
pthread_mutex_unlock(&prev->lock);
current->link = NULL;
return(current);
}
pthread_mutex_unlock(&prev->lock);
prev = current;
}
pthread_mutex_unlock(&prev->lock);
return(NULL);
}
嵌套锁定和循环链接列表的示例
示例 4–6 通过将以前的列表结构转换为循环列表来对其进行修改。由于不再存在用于标识的头节点，因该线程可以与特定的节点相关联，并可针对该节点及其邻居执行操作。锁分层结构在此处不适用，因为链接之后的分层结构明显是循环结构。
示例 4–6 循环链接列表结构
typedef struct node2 {
int value;
struct node2 *link;
pthread_mutex_t lock;
} node2_t;
以下的 C 代码用来获取两个节点上的锁并执行涉及到这两个锁的操作。
示例 4–7 循环链接列表和嵌套锁定
void Hit Neighbor(node2_t *me) {
while (1) {
pthread_mutex_lock(&me->lock);
if (pthread_mutex_lock(&me->link->lock)!= 0) {
/* failed to get lock */
pthread_mutex_unlock(&me->lock);
continue;
}
break;
}
me->link->value += me->value;
me->value /=2;
pthread_mutex_unlock(&me->link->lock);
pthread_mutex_unlock(&me->lock);
}