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linux_线程锁mutex(互斥量)_线程同步_死锁现象_pthread_mutex_lock函数_pthread_mutex_unlock函数_死锁现象

article 2024/11/17 13:28:31

接上一篇：linux_设置线程属性-pthread_attr_t结构体-设置线程分离态-修改线程栈的大小-NPTL

  今天来跟大家分享linux中线程同步与线程锁的知识，因为线程之间的竞争是无序的、混乱的，所以需要一种机制来保证我们的程序达到我们需要的效果，这时候锁这种机制就诞生了，来，让我们一起来看看吧：

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目录

  • 1.线程同步
    • 1.1.线程同步
      • 1.1.1.例子-线程数据混乱
    • 1.2.数据混乱原因
  • 2.互斥量mutex------线程锁
    • 2.1.线程锁相关函数
      • 2.1.1.pthread_mutex_init函数
      • 2.1.2.pthread_mutex_destroy函数
      • 2.1.3.pthread_mutex_lock函数
      • 2.1.4.pthread_mutex_unlock函数
      • 2.1.5.pthread_mutex_trylock函数
    • 2.2.加锁与解锁
      • 2.2.1.lock与unlock：
      • 2.2.2.lock与trylock：
    • 2.3.修改例1.1.1，对共享资源加锁
    • 2.4.死锁现象

1.线程同步

1.1.线程同步

  同步即协同步调，按预定的先后次序运行。
  线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。
  例如：内存中100字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。
  产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。
  “同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。
  因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

1.1.1.例子-线程数据混乱

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
//线程之间共享资源标准输出
//线程回调函数
void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));//设置时间种子
	while (1) 
	{
        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);	//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误
        printf("world\n");
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));//设置时间种子
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);//创建线程
	while (1) 
	{
        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误
        printf("WORLD\n");
        sleep(rand() % 3);
    }
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;                           //main中的return可以将整个进程退出
}

  代码的期望输出是子线程输出小写的hello world，主线程输出大写的HELLO WORLD，然而结果却是数据错乱输出。
  其原因是：由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱

1.2.数据混乱原因

  1、资源共享（独享资源则不会）
  2、调度随机（意味着数据访问会出现竞争）
  3、线程间缺乏必要的同步机制。
  以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。
  所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。

2.互斥量mutex------线程锁

  Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。
  每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。
  资源还是共享的，线程间也还是竞争的，
  但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。
  但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。
  当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。
  所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。
  因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

2.1.线程锁相关函数

  pthread_mutex_init函数
  pthread_mutex_destroy函数
  pthread_mutex_lock函数
  pthread_mutex_trylock函数
  pthread_mutex_unlock函数
以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。
  pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。
  pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

2.1.1.pthread_mutex_init函数

函数作用：
  初始化一个互斥锁(互斥量) ，初值可看作1。
头文件：
  #include <pthread.h>
函数原型：
  int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
函数参数：
  mutex：需要初始化的锁。
  restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改
  attr：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性
    1、静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。例如：pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    2、动态初始化：局部变量应采用动态初始化。例如：pthread_mutex_init(&mutex, NULL)
返回值：
  成功：返回0；
  失败：返回非0。
注意：
  函数成功执行后，互斥锁被初始化为未锁住态。

2.1.2.pthread_mutex_destroy函数

函数作用：
  销毁一个互斥锁。
头文件：
  #include <pthread.h>
函数原型：
  int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
函数参数：
  mutex：需要销毁的锁。
返回值：
  成功：返回0；
  失败：返回非0。

2.1.3.pthread_mutex_lock函数

函数作用：
  加锁。可理解为将mutex–（或-1）
头文件：
  #include <pthread.h>
函数原型：
  int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
函数参数：
  mutex：需要加锁的量。
返回值：
  成功：返回0；
  失败：返回非0。

2.1.4.pthread_mutex_unlock函数

函数作用：
  解锁。可理解为将mutex ++（或+1）
头文件：
  #include <pthread.h>
函数原型：
  int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
函数参数：
  mutex：需要解锁的量。
返回值：
  成功：返回0；
  失败：返回非0。

2.1.5.pthread_mutex_trylock函数

函数作用：
  尝试加锁。
头文件：
  #include <pthread.h>
函数原型：
  int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
函数参数：
  mutex：需要加锁的量。
返回值：
  成功：返回0；
  失败：返回非0。

2.2.加锁与解锁

2.2.1.lock与unlock：

  lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。
  unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。
  例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。
  可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex–。 unlock将mutex++

2.2.2.lock与trylock：

  lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。
  trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

2.3.修改例1.1.1，对共享资源加锁

步骤：
  1、定义全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destry
  2、两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock
  3、将unlock挪至第二个sleep后，发现交替现象很难出现。
    线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。
    所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。

  4、main 中加n= 10 将n在while中-- 这时，主线程输出10次后退出，调用pthread_cancel()将子线程退出，销毁锁。
代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex;
//线程之间共享资源标准输出
//线程回调函数
void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));//随机数时间种子
while (1) 
{
        pthread_mutex_lock(&mutex);//对标准输出加锁
        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);	//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误
        printf("world\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}
int main()
{
int n = 10;
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));//设置随机数时间种子
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);//初始化锁
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);//创建线程
while (n--) 
{
        pthread_mutex_lock(&mutex);//对共享资源加锁
        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        sleep(rand() % 3);
}
pthread_cancel(tid);                //  将子线程杀死,子线程中自带取消点
    pthread_join(tid, NULL);//等待线程退出，当然，因为是死循环，子线程不会退出，可自行设置退出的方法。
    pthread_mutex_destroy(&mutex);//销毁锁
    return 0;                           //main中的return可以将整个进程退出
}

结论：
  在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

2.4.死锁现象

例如：
  1、线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
  2、线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int a= 50, b = 600;
pthread_mutex_t m_a, m_b;//定义锁
//线程回调函数
void *tfn(void *arg)
{
    int i = (int)arg;
	if (i == 1)
	{
        pthread_mutex_lock(&m_a);//线程1拿着a锁
        a = 55;
        sleep(1);       //给另外一个线程加锁,创造机会.
        pthread_mutex_lock(&m_b);//请求b锁
        b = 666; 
        pthread_mutex_unlock(&m_a);
        pthread_mutex_unlock(&m_b);
        printf("----thread %d finish\n", i);
        pthread_exit(NULL);

    } 
    else if (i == 2) 
    {

        pthread_mutex_lock(&m_b);//线程2拿着b锁
        b = 44;
        sleep(1);
        pthread_mutex_lock(&m_a);//请求a锁
        a = 88; 
        pthread_mutex_unlock(&m_b);
        pthread_mutex_unlock(&m_b);
        printf("----thread %d finish\n", i);
        pthread_exit(NULL);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1, tid2;
    int ret1, ret2;
	//初始化锁
    pthread_mutex_init(&m_a, NULL);
    pthread_mutex_init(&m_b, NULL);
	//创建线程
    pthread_create(&tid1, NULL, tfn, (void *)1);
    pthread_create(&tid2, NULL, tfn, (void *)2);
    sleep(3);
    printf("var = %d, num = %d\n", a, b);

    ret1 = pthread_mutex_destroy(&m_a);      //释放琐
    ret2 = pthread_mutex_destroy(&m_b);
    if (ret1 == 0 && ret2 == 0) 
        printf("------------destroy mutex finish\n");

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    printf("------------join thread finish\n");

    return 0;
}

  以上就是本次的分享了，希望对大家有所帮助，欢迎关注博主一起学习更多的新知识！


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