Linux線程互斥鎖的概念

本篇內(nèi)容介紹了“Linux線程互斥鎖的概念”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

在編程中，引入了對(duì)象互斥鎖的概念，來(lái)保證共享數(shù)據(jù)操作的完整性。每個(gè)對(duì)象都對(duì)應(yīng)于一個(gè)可稱為" 互斥鎖"  的標(biāo)記，這個(gè)標(biāo)記用來(lái)保證在任一時(shí)刻，只能有一個(gè)線程訪問(wèn)該對(duì)象。

Linux實(shí)現(xiàn)的互斥鎖機(jī)制包括POSIX互斥鎖和內(nèi)核互斥鎖，本文主要講POSIX互斥鎖，即線程間互斥鎖。

“ 信號(hào)量用在多線程多任務(wù)同步的，一個(gè)線程完成了某一個(gè)動(dòng)作就通過(guò)信號(hào)量告訴別的線程，別的線程再進(jìn)行某些動(dòng)作(大家都在sem_wait的時(shí)候，就阻塞在  那里)。而互斥鎖是用在多線程多任務(wù)互斥的，一個(gè)線程占用了某一個(gè)資源，那么別的線程就無(wú)法訪問(wèn)，直到這個(gè)線程unlock，其他的線程才開始可以利用這  個(gè)資源。比如對(duì)全局變量的訪問(wèn)，有時(shí)要加鎖，操作完了，在解鎖。有的時(shí)候鎖和信號(hào)量會(huì)同時(shí)使用的”

也就是說(shuō)，信號(hào)量不一定是鎖定某一個(gè)資源，而是  流程上的概念，比如：有A,B兩個(gè)線程，B線程要等A線程完成某一任務(wù)以后再進(jìn)行自己下面的步驟，這個(gè)任務(wù)并不一定是鎖定某一資源，還可以是進(jìn)行一些計(jì)算  或者數(shù)據(jù)處理之類。而線程互斥量則是“鎖住某一資源”的概念，在鎖定期間內(nèi)，其他線程無(wú)法對(duì)被保護(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。在有些情況下兩者可以互換。

兩者之間的區(qū)別:

作用域

信號(hào)量 : 進(jìn)程間或線程間(linux僅線程間)

互斥鎖 : 線程間

上鎖時(shí)

信號(hào)量 :  只要信號(hào)量的value大于0，其他線程就可以sem_wait成功，成功后信號(hào)量的value減一。若value值不大于0，則sem_wait阻塞，直到sem_post釋放后value值加一。一句話，信號(hào)量的value>=0  。

互斥鎖 : 只要被鎖住，其他任何線程都不可以訪問(wèn)被保護(hù)的資源。如果沒有鎖，獲得資源成功，否則進(jìn)行阻塞等待資源可用。一句話，線程互斥鎖的vlaue可以為負(fù)數(shù)  。

多線程

線程是計(jì)算機(jī)中獨(dú)立運(yùn)行的最小單位，運(yùn)行時(shí)占用很少的系統(tǒng)資源。與多進(jìn)程相比，多進(jìn)程具有多進(jìn)程不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，其最重要的是：對(duì)于多線程來(lái)說(shuō)，其能夠比多進(jìn)程更加節(jié)省資源。

線程創(chuàng)建

在Linux中，新建的線程并不是在原先的進(jìn)程中，而是系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用clone()。該系統(tǒng)copy了一個(gè)和原先進(jìn)程完全一樣的進(jìn)程，并在這個(gè)進(jìn)程中執(zhí)行線程函數(shù)。

在Linux中，通過(guò)函數(shù)pthread_create()函數(shù)實(shí)現(xiàn)線程的創(chuàng)建：

pthread_create()

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*st

其中：

• thread表示的是一個(gè)pthread_t類型的指針;

• attr用于指定線程的一些屬性;

• start_routine表示的是一個(gè)函數(shù)指針，該函數(shù)是線程調(diào)用函數(shù);

• arg表示的是傳遞給線程調(diào)用函數(shù)的參數(shù)。

當(dāng)線程創(chuàng)建成功時(shí)，函數(shù)pthread_create()返回0，若返回值不為0則表示創(chuàng)建線程失敗。對(duì)于線程的屬性，則在結(jié)構(gòu)體pthread_attr_t中定義。

線程創(chuàng)建的過(guò)程如下所示：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <malloc.h>  void* thread(void *id){    pthread_t newthid;     newthid = pthread_self();    printf("this is a new thread, thread ID is %u\n", newthid);    return NULL; }  int main(){  int num_thread = 5;  pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread);   printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self());  for (int i = 0; i < num_thread; i++){        if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, NULL) != 0){           printf("thread create failed!\n");           return 1;        }  }  sleep(2);  free(pt);  return 0; }

在上述代碼中，使用到了pthread_self()函數(shù)，該函數(shù)的作用是獲取本線程的線程ID。在主函數(shù)中的sleep()用于將主進(jìn)程處于等待狀態(tài)，以讓線程執(zhí)行完成。最終的執(zhí)行效果如下所示：

那么，如何利用arg向子線程傳遞參數(shù)呢?其具體的實(shí)現(xiàn)如下所示：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <malloc.h>  void* thread(void *id){   pthread_t newthid;    newthid = pthread_self();   int num = *(int *)id;   printf("this is a new thread, thread ID is %u,id:%d\n", newthid, num);   return NULL; }  int main(){   //pthread_t thid;   int num_thread = 5;   pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread);   int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread);    printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self());   for (int i = 0; i < num_thread; i++){      id[i] = i;      if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){         printf("thread create failed!\n");         return 1;      }   }   sleep(2);   free(pt);   free(id);   return 0; }

其最終的執(zhí)行效果如下圖所示：

如果在主進(jìn)程提前結(jié)束，會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?如下述的代碼：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <malloc.h>  void* thread(void *id){   pthread_t newthid;    newthid = pthread_self();   int num = *(int *)id;   printf("this is a new thread, thread ID is %u,id:%d\n", newthid, num);   sleep(2);   printf("thread %u is done!\n", newthid);   return NULL; }  int main(){   //pthread_t thid;   int num_thread = 5;   pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread);   int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread);    printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self());   for (int i = 0; i < num_thread; i++){      id[i] = i;      if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){         printf("thread create failed!\n");         return 1;      }    }    //sleep(2);    free(pt);    free(id);    return 0; }

此時(shí)，主進(jìn)程提前結(jié)束，進(jìn)程會(huì)將資源回收，此時(shí)，線程都將退出執(zhí)行，運(yùn)行結(jié)果如下所示：

線程掛起

在上述的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，為了使得主線程能夠等待每一個(gè)子線程執(zhí)行完成后再退出，使用了free()函數(shù)，在Linux的多線程中，也可以使用pthread_join()函數(shù)用于等待其他線程，函數(shù)的具體形式為：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

函數(shù)pthread_join()用來(lái)等待一個(gè)線程的結(jié)束，其調(diào)用這將被掛起。

一個(gè)線程僅允許一個(gè)線程使用pthread_join()等待它的終止。

如需要在主線程中等待每一個(gè)子線程的結(jié)束，如下述代碼所示：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #include <malloc.h>  void* thread(void *id){   pthread_t newthid;    newthid = pthread_self();   int num = *(int *)id;   printf("this is a new thread, thread ID is %u,id:%d\n", newthid, num);    printf("thread %u is done\n", newthid);   return NULL; }  int main(){    int num_thread = 5;    pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread);    int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread);     printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self());    for (int i = 0; i < num_thread; i++){       id[i] = i;       if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){          printf("thread create failed!\n");          return 1;        }    }    for (int i = 0; i < num_thread; i++){       pthread_join(pt[i], NULL);    }    free(pt);    free(id);    return 0; }

最終的執(zhí)行效果如下所示：

注：在編譯的時(shí)候需要鏈接libpthread.a：

g++ xx.c -lpthread -o xx

互斥鎖mutex

多線程的問(wèn)題引入

多線程的最大的特點(diǎn)是資源的共享，但是，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)去操作(同時(shí)去改變)一個(gè)臨界資源時(shí)，會(huì)破壞臨界資源。如利用多線程同時(shí)寫一個(gè)文件：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <malloc.h>  const char filename[] = "hello";  void* thread(void *id){   int num = *(int *)id;    // 寫文件的操作   FILE *fp = fopen(filename, "a+");   int start = *((int *)id);   int end = start + 1;   setbuf(fp, NULL);// 設(shè)置緩沖區(qū)的大小   fprintf(stdout, "%d\n", start);   for (int i = (start * 10); i < (end * 10); i ++){       fprintf(fp, "%d\t", i);   }   fprintf(fp, "\n");   fclose(fp);   return NULL; }  int main(){    int num_thread = 5;    pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread);    int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread);     for (int i = 0; i < num_thread; i++){       id[i] = i;       if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){          printf("thread create failed!\n");          return 1;          }    }    for (int i = 0; i < num_thread; i++){       pthread_join(pt[i], NULL);    }    // 釋放資源    free(pt);    free(id);    return 0; }

執(zhí)行以上的代碼，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，得到的結(jié)果是混亂的，出現(xiàn)上述的最主要的原因是，我們?cè)诰帉懚嗑€程代碼的過(guò)程中，每一個(gè)線程都嘗試去寫同一個(gè)文件，這樣便出現(xiàn)了上述的問(wèn)題，這便是共享資源的同步問(wèn)題，在Linux編程中，線程同步的處理方法包括：信號(hào)量，互斥鎖和條件變量。

互斥鎖

互斥鎖是通過(guò)鎖的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)線程間的同步問(wèn)題。互斥鎖的基本流程為：

• 初始化一個(gè)互斥鎖：pthread_mutex_init()函數(shù)

• 加鎖：pthread_mutex_lock()函數(shù)或者pthread_mutex_trylock()函數(shù)

• 對(duì)共享資源的操作

• 解鎖：pthread_mutex_unlock()函數(shù)

• 注銷互斥鎖：pthread_mutex_destory()函數(shù)

其中，在加鎖過(guò)程中，pthread_mutex_lock()函數(shù)和pthread_mutex_trylock()函數(shù)的過(guò)程略有不同：

• 當(dāng)使用pthread_mutex_lock()函數(shù)進(jìn)行加鎖時(shí)，若此時(shí)已經(jīng)被鎖，則嘗試加鎖的線程會(huì)被阻塞，直到互斥鎖被其他線程釋放，當(dāng)pthread_mutex_lock()函數(shù)有返回值時(shí)，說(shuō)明加鎖成功;

• 而使用pthread_mutex_trylock()函數(shù)進(jìn)行加鎖時(shí)，若此時(shí)已經(jīng)被鎖，則會(huì)返回EBUSY的錯(cuò)誤碼。

同時(shí)，解鎖的過(guò)程中，也需要滿足兩個(gè)條件：

• 解鎖前，互斥鎖必須處于鎖定狀態(tài);

• 必須由加鎖的線程進(jìn)行解鎖。

當(dāng)互斥鎖使用完成后，必須進(jìn)行清除。

有了以上的準(zhǔn)備，我們重新實(shí)現(xiàn)上述的多線程寫操作，其實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <malloc.h>  pthread_mutex_t mutex;  const char filename[] = "hello";  void* thread(void *id){     int num = *(int *)id;    // 加鎖     if (pthread_mutex_lock(&mutex) != 0){      fprintf(stdout, "lock error!\n");    }    // 寫文件的操作    FILE *fp = fopen(filename, "a+");    int start = *((int *)id);    int end = start + 1;    setbuf(fp, NULL);// 設(shè)置緩沖區(qū)的大小    fprintf(stdout, "%d\n", start);    for (int i = (start * 10); i < (end * 10); i ++){       fprintf(fp, "%d\t", i);    }    fprintf(fp, "\n");    fclose(fp);     // 解鎖    pthread_mutex_unlock(&mutex);    return NULL; }  int main(){    int num_thread = 5;    pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread);    int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread);     // 初始化互斥鎖    if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0){      // 互斥鎖初始化失敗      free(pt);      free(id);      return 1;    }    for (int i = 0; i < num_thread; i++){       id[i] = i;       if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){          printf("thread create failed!\n");          return 1;       }    }    for (int i = 0; i < num_thread; i++){       pthread_join(pt[i], NULL);    }    pthread_mutex_destroy(&mutex);    // 釋放資源    free(pt);    free(id);    return 0; }

最終的結(jié)果為：

“Linux線程互斥鎖的概念”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！