Linux : 多线程互斥

目录

一  前言

二 线程互斥

  三  Mutex互斥量

1. 定义一个锁（造锁） 

2. 初始化锁

3. 上锁

4. 解锁

5. 摧毁锁

四 锁的使用

五 锁的宏初始化 

六 锁的原理

1.如何看待锁？

2. 如何理解加锁和解锁的本质 

七 c++封装互斥锁

八 可重入与线程安全 

1. 可重入与线程安全联系

2. 可重入与线程安全区别

九 死锁

1.死锁产生的必要条件

2.死锁的避免方法

---

一  前言

我们在上一章节Linux: 线程控制-CSDN博客学习了什么是多线程，以及多线程的控制和其优点，多线程可以提高程序的并发性和运行效率。但是多线程控制也有一定缺点，例如有些多线程的程序运行结果是有一些问题的，如出现了输出混乱、访问共享资源混乱等特点。所以我们下面提出的这个概念是关于保护共享资源这方面的——线程互斥。

---

二 线程互斥

在正式认识线程互斥之前，我们先来介绍几个概念：

• 临界资源：多线程执行流共享的资源（且这个资源是被保护的）就叫做临界资源
• 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
• 互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用。
• 原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么不做，要么做完。（原子性针对的是操作）。

接下来我们用一个测试来学习多线程访问共享资源可能带来的问题，以及如何解决。

🚀：系统调用接口大多都是用c接口，我们通过c/c++混编的方式对线程的创建以及等待进行封装

//makefile/
mythread:mythread.cppg++ -o $@ $^ -std=c++11 -lpthread
.PHONY:clean
clean:rm -f mythread

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <functional>
#include <cstdio>
#include <cassert>///Thread.hpp/头文件///
class Thread; //对类进行声明//上下文
class Context
{
public:Thread* this_;void* args_;
public:Context():this_(nullptr),args_(nullptr){}~Context(){}
};
//对一个线程进行封装
class Thread
{
public:typedef std::function<void*(void*)> func_t;const int num =1024;
public://1.构造函数,完成对线程的创建Thread(func_t func, void* args, int number):func_(func),args_(args)//c++自带类型func_,所以可以用拷贝构造func_(func){char buffer[num];//字符数组，char* buffersnprintf(buffer, sizeof(buffer), "thread->%d", number);name_=buffer;Context* ctx=new Context();ctx->this_=this;ctx->args_=args_;int n=pthread_create(&tid_,nullptr,start_routine,ctx);assert(n==0);(void)n;}static void* start_routine(void* args){//静态方法不能调用成员变量//return func_(args);Context* ctx=static_cast<Context*>(args);void* ret=ctx->this_->run(ctx->args_);delete ctx;return ret;}//线程等待void join(){int n=pthread_join(tid_,nullptr);assert(n==0);(void)n;}void* run(void* args){return func_(args);}private:std::string name_;pthread_t tid_;func_t func_;//实现方法void* args_;
};

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <memory>
#include "Thread.hpp"
//测试用例//
int tickets=10000;
void* getTickets(void* args)
{std::string username=static_cast<const char*>(args);while(true){ if(tickets >0){//usleep(1244);std::cout<< username <<"我正在抢票"<<tickets--<< std::endl;usleep(1244);}else{break;}}return nullptr;
}
int main()
{std::unique_ptr<Thread> thread1(new Thread(getTickets,(void*)"user1",1));std::unique_ptr<Thread> thread2(new Thread(getTickets,(void*)"user2",2));std::unique_ptr<Thread> thread3(new Thread(getTickets,(void*)"user3",3));std::unique_ptr<Thread> thread4(new Thread(getTickets,(void*)"user4",4));thread1->join();thread2->join();thread3->join();thread4->join();
}

测试结果

 🚌：接下来我们对代码进行一定改动，再看一下运行结果

 while(true){ if(tickets >0){usleep(1244);//现在我们在进行tickets--操作之前让线程进行休眠//再来看看运行结果会和之前的一样吗？std::cout<< username <<"我正在抢票"<<tickets--<< std::endl;//usleep(1244);//之前的代码是在这里进行了休眠，}else{break;}}

从结果来看，我们放票了10000张照片，而竟然抢到了-2张票，明显不合理。接下来我们回答一下为什么会出现这种现象？ 

 代码中凡是关于算数计算的问题，实际上都是交给CPU进行执行的，这里面包括了加减乘除、逻辑运算、逻辑判断，最终都由CPU来解决的。对变量tickets进行--，看起来只有一条语句，但是汇编至少是三条语句，即cpu 会对 tickets-- 的操作会分成三步来执行 

1. 从内存读取数据到cpu寄存器中
2. 在寄存器中让cpu进行对应的逻辑判断和运算
3. 将新的结果写到内存中变量的位置

接下来我们用下面图进行说明，为了方便，假设我们只有两个线程。

 

上面就是该程序出错的原因，其主要原因是在判断 tickets>0 由于会调用其他线程，从而使得错误发生在 tickets-- 操作上，对票的数量修改产生混乱。 

 🚴造成这种结果的原因是什么呢？

1. 我们对共享资源的访问和修改都不是原子的（即没有做完），这两个操作都会存在中间态，即CPU在计算的过程中需要读取、计算、返回等多个操作，一旦CPU执行某个线程处在某个中间状态的时候暂停了，其他线程可能会“趁虚而入”。
2. 存在多个线程同时访问共享资源的情况。

---

  三  Mutex互斥量

 了解了程序出现问题的原因，下来我们就讨论如何解决它：我们先从如何防止多个线程同时访问共享资源开始

       代码必须要有互斥行为：当一个线程访问并执行共享资源的代码时，其他线程不能进入

要想使线程具有互斥行为，我们要引出一个关键工具——锁，通过给执行共享资源区上一把锁，从而阻止其他线程进入，这种锁被称为互斥锁，给予代码互斥的效果。

 锁的接口及其使用

pthread 库为我们提供了 “定义一个锁”、“初始化一个锁   “上锁”、“解锁”、“销毁一个锁” 的接口：

1. 定义一个锁（造锁） 

pthread_mutex_t  是一个类型，可以来定义一个互斥锁。就像定义一个变量一样使用它定义互斥锁的时候，锁名可以随便设置。互斥锁的类型 pthread_mutex_t 是一个联合体。 

2. 初始化锁

pthread_mutex_init( ) 是pthread库提供的一个初始化锁的一个接口，第一个参数传入的就是需要初始化的锁的地址。 第二个参数需要传入锁初始化的属性，在接下来的使用中暂时不考虑，使用默认属性即传入nullptr 。成功返回0，否则返回错误码。 

3. 上锁

pthread_mutex_lock() ,阻塞式上锁，即 线程执行此接口，指定的锁已经被锁上了，那么线程就进入阻塞状态，直到解锁之后，此线程再上锁。当上锁成功，则返回0，否则返回一个错误码。

4. 解锁

pthread_mutex_unlock() ,作用是解锁接口，一般用于出了执行共享资源区的时候。当解锁成功，返回0，否则返回一个错误码。

5. 摧毁锁

pthread_mutex_destroy 是用来摧毁定义的锁，参数需要传入的是需要摧毁的锁的指针。成功则返回0，否则返回错误码。

---

四 锁的使用

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <memory>
#include <vector>
#include "Thread.hpp"class ThreadData
{
public:ThreadData(const std::string & threadname,pthread_mutex_t* mutex_p):threadname_(threadname), mutex_p_(mutex_p){}~ThreadData(){}
public:std::string threadname_;pthread_mutex_t* mutex_p_;//锁的指针
};
int tickets=10000;
void* getTickets(void* args)
{//std::string username=static_cast<const char*>(args);//加锁和解锁是多个线程串行执行的，程序变慢了。ThreadData* td=static_cast<ThreadData*>(args);while(true){ //加锁pthread_mutex_lock(td->mutex_p_);if(tickets >0){usleep(1244);std::cout<< td->threadname_ <<"我正在抢票"<<tickets<< std::endl;tickets--;   pthread_mutex_unlock(td->mutex_p_);//解锁// usleep(1244);}else{  pthread_mutex_unlock(td->mutex_p_);//解锁break;}}return nullptr;
}int main()
{#define NUM 4pthread_mutex_t lock;//定义一个锁pthread_mutex_init(&lock,nullptr);//初始化一个锁//接下来我们如何把这个锁以及一些参数传递给线程呢？我们创建一个类ThreadDatastd::vector<pthread_t> tids(NUM);for(int i=0;i<NUM;i++){char buffer[64];snprintf(buffer,sizeof buffer,"thread %d",i+1);ThreadData* td=new ThreadData(buffer,&lock);//用的同一把锁pthread_create(&tids[i],nullptr,getTickets,td);}for( const auto &tid:tids){pthread_join(tid,nullptr);}pthread_mutex_destroy(&lock);//销毁锁return 0;}

测试结果 

可以看到同过加锁的操作对共享资源的代码进行加锁保护之后，程序已经能正常的进行抢票了。但是我们又发现一个问题，那就是都是线程4进行抢票，这是为什么呢？ 

🚩：锁只规定互斥访问，没有规定谁优先执行 ，接下里我们通过修改一下代码，来进行测试。
 通过usleep(1000),线程在访问加锁的资源之后，进行休眠即阻塞状态，这个时候cpu会对其他线程进行随机调度，从而实现了多个进程对保护的共享资源进行抢票的过程 。

while(true){ //加锁pthread_mutex_lock(td->mutex_p_);if(tickets >0){usleep(1244);std::cout<< td->threadname_ <<"我正在抢票"<<tickets<< std::endl;tickets--;   pthread_mutex_unlock(td->mutex_p_);//解锁// usleep(1244);}else{  pthread_mutex_unlock(td->mutex_p_);//解锁break;}//抢完票之后，我们设置一个任务。例如形成订单usleep(1000);//形成一个订单给用户//通过usleep(1000),线程在访问加锁的资源之后，进行休眠即阻塞状态，这个时候cpu会对其他线程进行随机调度//从而实现了多个进程对保护的共享资源进行抢票的过程}

---

五 锁的宏初始化 

在上面我们已经简单学习了锁的使用，关于锁的初始化上面用到的是pthread库提供的接口：pthread_mutex_init() ,但是在系统中还存在另一种初始化锁的方法，还方法只针对全局锁进行初始化，使用该宏初始化的锁是不需要手动销毁的，即不需要我们调用 pthread_mutex_destroy() 接口

下面演示该宏定义的全局锁的使用：

int tickets=10000;
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//宏定义的全局锁
void* getTickets(void* args)
{//加锁和解锁是多个线程串行执行的，程序变慢了。std::string username=static_cast<const char*>(args);//ThreadData* td=static_cast<ThreadData*>(args);while(true){ //加锁pthread_mutex_lock(&lock);//加锁直接取地址&lockif(tickets >0){usleep(1244);std::cout<< username<<"我正在抢票"<<tickets<< std::endl;tickets--;   pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁// usleep(1244);}else{  pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁break;}//抢完票之后，我们设置一个任务。例如形成订单usleep(1000);//形成一个订单给用户return nullptr;
}int main()
{//创建四个线程pthread_t t1, t2, t3, t4;pthread_create(&t1,nullptr,getTickets,(void*)"thread 1");pthread_create(&t2,nullptr,getTickets,(void*)"thread 2");pthread_create(&t3,nullptr,getTickets,(void*)"thread 3");pthread_create(&t4,nullptr,getTickets,(void*)"thread 4");pthread_join(t1,nullptr);pthread_join(t2,nullptr);pthread_join(t3,nullptr);pthread_join(t4,nullptr);//不需要手动销毁锁了即pthread_mutex_destroy(&lock,nullptr) }

测试结果：

接下来我们对几个概念进行再次说明一下：

• 临界资源：多线程执行流共享的资源（且这个资源是被保护的）就叫做临界资源，例如上文代码的共享资源tickets通过加锁被保护，叫做临界资源
• 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区，例如上文加锁和解锁的中间部分即对tickets进行--的代码区叫做临界区

---

六 锁的原理

前边说了这么多有关于锁的介绍，那么我们该如何看待锁呢？

1.如何看待锁？

•  a.  多个线程都能利用锁，即：锁本身就是一个共享资源，既然是共享资源，那么共享资源就要被保护？锁的安全谁来保护呢
•  b.  锁是共享资源需要被保护，那么加锁这个操作就是原子性的（即要么加锁成功，要么加锁不成功）
•  c. 加锁如果申请成功，就继续向后执行，如果申请暂时没有成功，执行流会进行阻塞。
• d. 谁持有锁，谁进入临界区。

如果线程1，申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源期间，其他线程只能阻塞等待。

如果线程1，申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源期间，那么线程1可以被cpu进行切换吗？答案是可以的，但是当持有锁的线程被切走的时候，即使自己被切走了，其他线程

依然无法继续申锁成功，也便无法继续向后执行，直到线程1释放了锁，其他线程才能申请锁成功，继续往后执行。

2. 如何理解加锁和解锁的本质 

• 经过上面的例子，大家已经意识到单纯的 i++ 或者 ++i 都不是原子的，有可能会有数据一致性问题
• 为了实现互斥锁操作,大多数体系结构都提供了swap或exchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令,所以保证了原子性,

针对上面的伪代码我们对加锁和解锁进行分析 

首先, al 表示寄存器, mutex 则表示在内存中的锁   （mutex互斥量可以理解为就是一个锁）

movb $0, %al, 把 0 存入 al 寄存器中

xchgb %al, mutex, 交换 al寄存器 和 内存中mutex 的数据

if(al > 0) { return 0; }, 如果 al 寄存器中的数据 大于 0, 则 申请锁成功, 返回 0. 否则, 就阻塞等待.

整个上锁函数执行的语句可以看作这几个过程.  其中, xchgb %al, mutex 操作 是实际上锁的操作.

我们用图来描述, 如果线程1 在执行上锁的操作。

🚲如果没有上锁时, 锁的值是1.那么 执行 xchgb %al, mutex 将 al 中的0 与 mutex 的值交换,

此时 al中的值变为1，这个时候其实以及申锁成功了，如果线程没有被cpu切走，那么

if(al>0)满足，线程就执行后续语句。

al中的值变为1，这个时候表示申锁成功了，但是线程还没往下执行就被cpu切走了，那么后面的线程也不可能申锁成功执行后续代码，这是因为cpu中寄存器对线程进行切换的时候，会把寄存器中关于线程的上下文切走。所以当下一个线程来的时候，寄存器会把新线程的al=0与内存中的mutex=0交换，al的值还是0,不会继续执行，进入阻塞状态，所以此时cpu又会对

上一个线程调度，cpu对线程加载的时候，会把线程上下文重新加载过来，即al=1，所以执行后续代码，当执行完相应的临界区的时候，寄存器再将al=1 与mutex交换，这就是解锁过程，此时mutex=1,后面的线程才有可能申请锁成功，上面的分析说明了加锁和解锁是个二原性行为，保证了共享资源不会被多个线程同时执行，即只能串行运行。

---

七 c++封装互斥锁

系统调用接口大多采样c接口，c语言是面向过程的，而c++面向对象的,为了更好使用加锁解锁。我们使用c++对互斥锁进行封装。

//Mutex.hpp/
#pragma once 
#include <iostream>
#include <pthread.h>//对锁进行封装，类似undersort_map一样先定义一个结点
//结点成员包含锁，以及加锁解锁，然后在定义了一个类
//类中成员变量是结点，然会类的加锁解锁分别调用结点的成员函数
class Mutex
{
public:Mutex(pthread_mutex_t* lock_p=nullptr):lock_p_(lock_p){}void lock(){if(lock_p_) pthread_mutex_lock(lock_p_);}void unlock(){if(lock_p_) pthread_mutex_unlock(lock_p_);}~Mutex(){}
private:pthread_mutex_t* lock_p_;
};//这才是我们最终想要的封装
class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t* mutex):mutex_(mutex){mutex_.lock();//在构造函数中进行加锁}~LockGuard(){mutex_.unlock();//在析构函数中进行解锁}
private:Mutex mutex_;
};

然后我们对测试代码做一下改动

int tickets=10000;
pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定义一个锁
void* getTickets(void* args)
{//加锁和解锁是多个线程串行执行的，程序变慢了。std::string username=static_cast<const char*>(args);while(true){ {//加了这个{}是相当于加了个作用域，当出了{}解锁成功，后面的usleep()代码没有加锁LockGuard lockguard(&lock);//构造并且加锁，处理作用域自带析构调用解锁函数if(tickets >0){usleep(1244);std::cout<< username<<"我正在抢票"<<tickets<< std::endl;tickets--;   }else{  break;}}//抢完票之后，我们设置一个任务。例如形成订单usleep(1000);//形成一个订单给用户}return nullptr;
}

---

八 可重入与线程安全 

•  线程安全：多线程并发运行同一段代码时，并不会影响到整个进程的运行结果，就成为线程安全
• 可重入：同一个函数被不同执行流调用, 在一个执行流执行没结束时, 有其他执行流再次执行此函数, 这个现象叫 重入

1. 可重入与线程安全联系

• 函数是可重入的，那就是线程安全的
• 函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题

2. 可重入与线程安全区别

• 可重入函数是线程安全函数的一种
• 线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。

---

九 死锁

在多把锁的场景下，我们持有自己的锁不释放，还要对方的锁，对方也是如此，此时就容易造成死锁。自己同时申请多把锁也可能造成死锁。

我们用一个例子进行说明

pthread_mutex_t lock=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定义一个锁
void* getTickets(void* args)
{//加锁和解锁是多个线程串行执行的，程序变慢了。std::string username=static_cast<const char*>(args);//ThreadData* td=static_cast<ThreadData*>(args);while(true){ // //加锁
//**********************************************************************pthread_mutex_lock(&lock);//在这里我们申请了两把锁pthread_mutex_lock(&lock);//在这里我们申请了两把锁
//**********************************************************************if(tickets >0){usleep(1244);std::cout<< username<<"我正在抢票"<<tickets<< std::endl;tickets--;   pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁// usleep(1244);}else{  pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁break;}//抢完票之后，我们设置一个任务。例如形成订单usleep(1000);//形成一个订单给用户//通过usleep(1000),线程在访问加锁的资源之后，进行休眠即阻塞状态，这个时候cpu会对其他线 程进行随机调度//从而实现了多个进程对保护的共享资源进行抢票的过程}return nullptr;
}

运行结果

🚢：为什么会造成进程卡住的情况呢？首先前面我们说明了锁的原理。 当我们申请了一把锁的时候 pthread_mutex_lock(&lock); 寄存器al 变成1，内存中mutex=0.此时al=1, 满足条件，执行后续语句，然后下一个语句又是申请一把锁  pthread_mutex_lock(&lock)，前面的锁没有释放，那么后面的 pthread_mutex_lock(&lock)就会阻塞等待，当cpu切换线程执行其他线程也是会遇到这种情况，那么整个多线程就一直处于阻塞状态，从而不会执行后续cout，和tickets--等语句。导致的结果就是线程一直阻塞，显示器上什么也不显示。

1.死锁产生的必要条件

1. 互斥条件：: 一个资源每次只能被一个执行流使用
2. 请求与保持条件: 一个执行流因请求资源（索要锁时）而阻塞时，对已获得的资源（锁）保持不放（锁不释放）
3. 不剥夺条件: 一个执行流已获得的锁资源，在末使用完之前，不能强行剥夺
4. 循环等待条件: 若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系（我向你要锁你向我要锁）

2.死锁的避免方法

最直接有效的避免方法是不使用锁. 虽然锁可以解决一些多线程的问题, 但是可能会造成死锁。

如果非要使用锁, 那就得考虑避免死锁，破坏死锁的四个必要条件。