Unix C语言 POSIX 互斥锁线程同步-蒲公英云

Unix C语言 POSIX 互斥锁线程同步

た入场券 2022-10-22 07:39 274阅读 0赞

文章目录

- - 模拟并发冲突
  - - 出现该问题的原因
  - POSIX的互斥锁

由于线程的并发性，导致多个线程同时对同一个全局变量进行操作时，会出现数据不一致的情况。
所以需要在线程中对全局变量的操作上互斥锁，来确保该操作同一时刻只能被一个线程进行，从而确保了数据安全。

模拟并发冲突

先不着急看互斥锁，先看下互斥锁可以解决什么问题。
下面的代码有个int型的num全局变量，开启多个线程同时对该num进行+1的动作，每个线程+1执行1000000次，所有线程执行完毕后，num的值应该等于线程数*1000000。但由于并发执行，结果是小于线程数*1000000的。
可以自行跑代码。
注意编译需要链接pthread库：gcc ... -lpthread

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int num = 0; //全局变量
/** * 函数执行体。类似java中的Thread#run函数。 * 当函数体执行完毕，则线程结束。 * @param arg 创建线程时传入的参数。 * @return 线程返回的结果，可以被创建该线程的父线程通过pthread_join获取。 */
void *thread_proc(void *arg) { 
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) { 
        num++;
    }
    return NULL;
}
int main(void) { 
    int tcount = 3; //线程数
    pthread_t tids[tcount];
    for (long long i = 1; i <= tcount; ++i) { //创建多个线程
        int errno = pthread_create(&tids[i - 1], NULL, thread_proc, (void *) i); //创建线程
        if (errno) {  //当线程创建失败，返回的errno非0
            fprintf(stderr, "pthread_create:%s\n", strerror(errno)); //打印异常信息
            return -1;
        }
    }
    for (int i = 0; i < tcount; ++i) { 
        pthread_t tid = tids[i];
        pthread_join(tid, NULL);
        printf("线程%lld结束。\n", (long long) tid);
    }
    printf("所有线程执行完毕，num=%d\n", num);
    getchar();//防止主线程退出，回车即退出。
    return 0;
}

出现该问题的原因

代码中的num++虽说是一行代码，但实际对于CPU来说是3个指令操作：将num从内存加载到CPU寄存器、寄存器num+1、寄存器num+1后的值写入内存。
由于多个线程同时并发，并错落执行对num的操作指令，CPU来回切换的线程上下文中的num与内存中的num会不一致，进而导致最终的num并非是按照循环次数的正确数字。

POSIX的互斥锁

要解决上面的问题，那就要对线程中存在并发操作共享数据的代码进行上锁，使其操作线程安全。

互斥锁的API和线程相关的API一样，都在<pthread.h>这个头文件中。
创建互斥锁有两种方式，一种是静态创建，另一种是动态创建：
-静态创建
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
-动态创建
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr); ：动态创建互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); ：释放动态创建的互斥锁资源

-上锁解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);：上互斥锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);：解互斥锁

基于前面的问题代码进行上锁操作，会发现最终的num等于线程数*1000000：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int num = 0; //全局变量
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //静态创建互斥锁
/** * 函数执行体。类似java中的Thread#run函数。 * 当函数体执行完毕，则线程结束。 * @param arg 创建线程时传入的参数。 * @return 线程返回的结果，可以被创建该线程的父线程通过pthread_join获取。 */
void *thread_proc(void *arg) { 
    for (int i = 0; i < 1000000; ++i) { 
        pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
        num++;
        pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
    }
    return NULL;
}
int main(void) { 
    int tcount = 3;
    pthread_t tids[tcount];
    for (long long i = 1; i <= tcount; ++i) { //创建多个线程
        int errno = pthread_create(&tids[i - 1], NULL, thread_proc, (void *) i); //创建线程
        if (errno) {  //当线程创建失败，返回的errno非0
            fprintf(stderr, "pthread_create:%s\n", strerror(errno)); //打印异常信息
            return -1;
        }
    }
    for (int i = 0; i < tcount; ++i) { 
        pthread_t tid = tids[i];
        pthread_join(tid, NULL);
        printf("线程%lld结束。\n", (long long) tid);
    }
    printf("所有线程执行完毕，num=%d\n", num);
    getchar();//防止主线程退出，回车即退出。
    return 0;
}