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[操作系统]linux线程同步


一.概述                                                  

互斥量是线程同步的一种机制,用来保护多线程的共享资源。同一时刻,只允许一个线程对临界区进行访问。

互斥量的工作流程:创建一个互斥量,把这个互斥量的加锁调用放在临界区的开始位置,解锁调用放到临界区的结束位置。当内核优先把某个线程调度到临界区的开始位置时,线程执行这个加锁调用,并进入临界区对资源进行操作。此时其他线程再被内核调度到这里的时候,由于该互斥量已被加锁状态,得不到锁会一直阻塞在这里,导致其他线程不能进入临界区,直到刚刚那个进入临界区的线程离开临界区并执行解锁调用。

二.函数接口                                           

1.初始化互斥量

互斥量是一个pthread_mutex_t类型的变量。

1.1:用宏常量初始化:

1 pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

1.2:用函数初始化:

1 #include <pthread.h>2 3 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

mutex:互斥量结构指针

attr:互斥量的属性结构指针

2.设置互斥量属性

1 #include <pthread.h>2 3 int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);

attr:互斥量的属性结构指针

type:PTHREAD_MUTEX_NORMAL(默认属性),PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK(会进行错误检查,速度比较慢),PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE(递归锁)。对于递归锁,同一个线程对一个递归锁加锁多次,会有一个锁计数器,解锁的时候也需要解锁这个次数才能释放该互斥量。

3.加锁与解锁

1 #include <pthread.h>2 3 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);4 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);5 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数都是互斥量指针。pthread_mutex_lock()得不到锁会阻塞,int pthread_mutex_trylock()得不到锁会立即返回,并返回EBUSY错误。

还有一个pthread_mutex_timedlock()会根据时间来等待加锁,如果这段时间得不到锁会返回ETIMEDOUT错误!

1 #include <pthread.h>2 #include <time.h>3 4 int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);

4.销毁互斥量

1 #include <pthread.h>2 3 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

mutex:创建的互斥量指针

三.简单例子                                            

写个简单的例子,主线程消费,子线程生产,并模拟使用过程中可能遇到的缺点

 1 /** 2  * @file pthread_mutex.c 3 */ 4  5 #include <stdio.h> 6 #include <stdlib.h> 7 #include <string.h> 8 #include <unistd.h> 9 #include <pthread.h>10 11 /* 定义互斥量 */12 pthread_mutex_t mtx;13 /* 互斥量属性 */14 pthread_mutexattr_t mtx_attr;15 /* 全局资源 */16 int money;17 18 void err_exit(const char *err_msg)19 {20   printf("error:%s\n", err_msg);21   exit(1);22 }23 24 /* 线程函数 */25 void *thread_fun(void *arg)26 {27   while (1)28   {29     /* 加锁 */30     pthread_mutex_lock(&mtx);31 32     printf("子线程进入临界区查看money\n");33     if (money == 0)34     {35       money += 200;36       printf("子线程:money = %d\n", money);37     }38 39     /* 解锁 */40     pthread_mutex_unlock(&mtx);41 42     sleep(1);43   }44 45   return NULL;46 }47 48 int main(void)49 {50   pthread_t tid;51 52   /* 初始化互斥量属性 */53   if (pthread_mutexattr_init(&mtx_attr) == -1)54     err_exit("pthread_mutexattr_init()");55 56   /* 设置互斥量属性 */57   if (pthread_mutexattr_settype(&mtx_attr, PTHREAD_MUTEX_NORMAL) == -1)58     err_exit("pthread_mutexattr_settype()");59 60   /* 初始化互斥量 */61   if (pthread_mutex_init(&mtx, &mtx_attr) == -1)62     err_exit("pthread_mutex_init()");63 64   /* 创建一个线程 */65   if (pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, NULL)== -1)66     err_exit("pthread_create()");67 68   money = 1000;69   while (1)70   {71     /* 加锁 */72     pthread_mutex_lock(&mtx);73 74     if (money > 0)75     {76       money -= 100;77       printf("主线程:money = %d\n", money);78     }79 80     /* 解锁 */81     pthread_mutex_unlock(&mtx);82 83     sleep(1);84   }85 86   return 0;87 }

主线程和子线程都对money的操作进行了互斥量保护。68行,初始化money是1000,主线程每次消耗100,子线程只有到money是0是才会生产。sleep(1)防止独占cpu,也方便打印信息。编译运行:

可以看到这里有个非常浪费资源的问题:主线程消耗money的时候,子线程它不知道什么时候才消耗完,每次内核调度到它时,它都进入临界区加锁互斥量,然后查看money,再解锁。这无意义的操作,简直是极大的浪费!有什么办法可以解决这个问题呢?它有一个好伙伴,叫条件变量。

四.死锁                                                  

假设:当线程1获取锁1,再获取锁2后才能进入临界区1,线程2获取锁2,再获取锁1才能进入临界区2。某个时刻,线程1获取了锁1,再去获取锁2的时候发现锁2已经被线程2锁住了,而线程2获取锁2后,发现锁1被线程1锁住了。这样2个线程谁也不让谁,都进不了自己的临界区,就产生了死锁现象!一般遇到这种情况常见的解决办法是:规定统一的加锁顺序。线程1和线程2都按照先锁1,再锁2。还一种就是使用pthread_mutex_trylock(),如果该函数返回EBUSY错误,就释放这个线程的所有锁,不过效率有点低。