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【Linux系统编程】线程同步与互斥:互斥锁


为什么需要互斥锁?

在多任务操作系统中,同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于,公司部门里,我在使用着打印机打印东西的同时(还没有打印完),别人刚好也在此刻使用打印机打印东西,如果不做任何处理的话,打印出来的东西肯定是错乱的。


下面我们用程序模拟一下这个过程,线程一需要打印“ hello ”,线程二需要打印“ world ”,不加任何处理的话,打印出来的内容会错乱:


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 打印机
void printer(char *str)
{
while(*str!='\0')
{
putchar(*str);
fflush(stdout);
str++;
sleep(1);
}
printf("\n");
}

// 线程一
void *thread_fun_1(void *arg)
{
char *str = "hello";
printer(str); //打印
}

// 线程二
void *thread_fun_2(void *arg)
{
char *str = "world";
printer(str); //打印
}

int main(void)
{
pthread_t tid1, tid2;

// 创建 2 个线程
pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);

// 等待线程结束,回收其资源
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);

return 0;
}



运行结果如下:


【Linux系统编程】线程同步与互斥:互斥锁_互斥锁


实际上,打印机是有做处理的,我在打印着的时候别人是不允许打印的,只有等我打印结束后别人才允许打印。这个过程有点类似于,把打印机放在一个房间里,给这个房间安把锁,这个锁默认是打开的。当 A 需要打印时,他先过来检查这把锁有没有锁着,没有的话就进去,同时上锁在房间里打印。而在这时,刚好 B 也需要打印,B 同样先检查锁,发现锁是锁住的,他就在门外等着。而当 A 打印结束后,他会开锁出来,这时候 B 才进去上锁打印。


而在线程里也有这么一把锁——互斥锁(mutex),互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问,互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。


互斥锁的操作流程如下:


1)在访问共享资源后临界区域前,对互斥锁进行加锁。

2)在访问完成后释放互斥锁导上的锁。

3)对互斥锁进行加锁后,任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞,直到锁被释放。



互斥锁的数据类型是: ​pthread_mutex_t​。


互斥锁基本操作

【Linux系统编程】线程同步与互斥:互斥锁_linux系统编程_02

以下函数需要的头文件:


#include <pthread.h>



1)初始化互斥锁

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

功能:


初始化一个互斥锁。


参数:


mutex​:互斥锁地址。类型是 pthread_mutex_t 。
attr​:设置互斥量的属性,通常可采用默认属性,即可将 attr 设为 NULL。



可以使用宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 静态初始化互斥锁,比如:



pthread_mutex_t  mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

这种方法等价于使用 NULL 指定的 attr 参数调用  pthread_mutex_init () 来完成动态初始化,不同之处在于  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER  宏不进行错误检查。

返回值:


成功:0,成功申请的锁默认是打开的。

失败:非 0 错误码



2)上锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

功能:


对互斥锁上锁,若互斥锁已经上锁,则调用者一直阻塞,直到互斥锁解锁后再上锁。


参数:


mutex​:互斥锁地址。


返回值:


成功:0

失败:非 0 错误码



int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

调用该函数时,若互斥锁未加锁,则上锁,返回 0;若互斥锁已加锁,则函数直接返回失败,即 EBUSY。


3)解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);

功能:


对指定的互斥锁解锁。


参数:


mutex​:互斥锁地址。


返回值:


成功:0

失败:非 0 错误码



4)销毁互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

功能:


销毁指定的一个互斥锁。互斥锁在使用完毕后,必须要对互斥锁进行销毁,以释放资源。


参数:


mutex​:互斥锁地址。


返回值:


成功:0

失败:非 0 错误码



互斥锁应用实例

我们通过互斥锁完善上面的例子,示例代码如下:


#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex; //互斥锁

// 打印机
void printer(char *str)
{
pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
while(*str!='\0')
{
putchar(*str);
fflush(stdout);
str++;
sleep(1);
}
printf("\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
}

// 线程一
void *thread_fun_1(void *arg)
{
char *str = "hello";
printer(str); //打印
}

// 线程二
void *thread_fun_2(void *arg)
{
char *str = "world";
printer(str); //打印
}

int main(void)
{
pthread_t tid1, tid2;

pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //初始化互斥锁

// 创建 2 个线程
pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);

// 等待线程结束,回收其资源
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);

pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁互斥锁

return 0;
}






运行结果如下:


【Linux系统编程】线程同步与互斥:互斥锁_linux系统编程_03



应用实例二:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

#define SIZE 1000000

//全局变量
unsigned long val = 0;
//初始化mutex锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *fun1(void *args)
{
unsigned long i = 0;
printf("thread id: %lu args: %s\n", pthread_self(), (char*)args);

//加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
for (i = 0; i < SIZE; i++)
val++;

printf("thread 1 val = %lu\n", val);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);

pthread_exit((void*)0x1);
}

void *fun2(void *args)
{
unsigned long i = 0;
printf("thread id: %lu args: %s\n", pthread_self(), (char*)args);
for (i = 0; i < SIZE; i++)
{
//加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
val++;
//解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

printf("thread 2 val = %lu\n", val);

pthread_exit((void*)0x2);
}

//对全局变量修改 没有加锁的情况 会出现数据不一致的问题
int main(void)
{
void *val = NULL;
pthread_t tid[2];

//创建线程
pthread_create(&tid[0], NULL, fun1, "thread 1");
pthread_create(&tid[1], NULL, fun2, "thread 2");

//等待第一个线程
if (pthread_join(tid[0], &val) != 0)
{
printf("join 线程1失败....\n");
}
printf("val = %#x\n", (unsigned long)val);

//等待第二个线程
if (pthread_join(tid[1], &val) != 0)
{
printf("join 线程2失败....\n");
}
printf("val = %#x\n", (unsigned long)val);

if (pthread_mutex_destroy(&mutex) != 0)
{
printf("销毁信号量失败....\n");
}

return 0;
}

运行结果如下:


【Linux系统编程】线程同步与互斥:互斥锁_#include_04


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