Linux系统编程-线程（二）-线程同步01：互斥锁

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2023-09-27 11:18 157阅读 0赞

## 一、同步与互斥概述 ##

现代操作系统基本都是多任务操作系统，即同时有大量可调度实体在运行。在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能：

*  都需要访问/使用同一种资源
 *  多个任务之间有依赖关系，某个任务的运行依赖于另一个任务

这两种情形是多任务编程中遇到的最基本的问题，也是多任务编程中的核心问题，同步和互斥就是用于解决这两个问题的。

**互斥：**是指散步在不同任务之间的若干程序片断，当某个任务运行其中一个程序片段时，其它任务就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该任务运行完这个程序片段后才可以运行。最基本的场景就是：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。

**同步：**是指散步在不同任务之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。最基本的场景就是：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如 A 任务的运行依赖于 B 任务产生的数据。

显然，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。也就是说互斥是两个任务之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要按照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）！因此互斥具有唯一性和排它性，但互斥并不限制任务的运行顺序，即任务是无序的，而同步的任务之间则有顺序关系。

## 二、为什么需要互斥锁 ##

在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于，公司部门里，我在使用着打印机打印东西的同时（还没有打印完），别人刚好也在此刻使用打印机打印东西，如果不做任何处理的话，打印出来的东西肯定是错乱的。

下面我们用程序模拟一下这个过程，线程一需要打印“ hello ”，线程二需要打印“ world ”，不加任何处理的话，打印出来的内容会错乱：

测试程序：

// 打印机，公共资源
    void printer(char *str)
    {
        while (*str != '\0')
        {
            putchar(*str);
            fflush(stdout);
            str++;
            sleep(1);
        }
        printf("\n");
    }
    
    // 线程一
    void *thread_fun_1(void *arg)
    {
        char *str = "hello";
        printer(str); //打印
    }
    
    // 线程二
    void *thread_fun_2(void *arg)
    {
        char *str = "world";
        printer(str); //打印
    }
    
    int main()
    {
        pthread_t tid1, tid2;
    
        // 创建 2 个线程
        pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);
    
        // 等待线程结束，回收其资源
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
    
        return 0;
    }

运行结果如下：

实际上，打印机是有做处理的，我在打印着的时候别人是不允许打印的，只有等我打印结束后别人才允许打印。这个过程有点类似于，把打印机放在一个房间里，给这个房间安把锁，这个锁默认是打开的。当 A 需要打印时，他先过来检查这把锁有没有锁着，没有的话就进去，同时上锁在房间里打印。而在这时，刚好 B 也需要打印，B 同样先检查锁，发现锁是锁住的，他就在门外等着。而当 A 打印结束后，他会开锁出来，这时候 B 才进去上锁打印。

## 三、互斥锁Mutex介绍 ##

而在线程里也有这么一把锁：互斥锁（mutex），也叫互斥量，互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，互斥锁只有两种状态,即**加锁**( lock )和**解锁**( unlock )。

互斥锁的操作流程如下：

1）在访问共享资源后临界区域前，对互斥锁进行加锁。

2）在访问完成后释放互斥锁导上的锁。

3）对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。

互斥锁的数据类型是： pthread\_mutex\_t。

安装对应帮助手册：

> deng@itcast:~$ sudo apt-get install manpages-posix-dev

## 四、互斥锁相关函数 ##

## **1、pthread\_mutex\_init** 函数（初始化互斥锁） ##

#include <pthread.h>
    
    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
        const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    功能：
        初始化一个互斥锁。
    参数：
        mutex：互斥锁地址。类型是 pthread_mutex_t 。
        attr：设置互斥量的属性，通常可采用默认属性，即可将 attr 设为 NULL。
    
        可以使用宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 静态初始化互斥锁，比如：
        pthread_mutex_t  mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    
    这种方法等价于使用 NULL 指定的 attr 参数调用 pthread_mutex_init() 来完成动态初始化，不同之处在于 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏不进行错误检查。
    
    返回值：
        成功：0，成功申请的锁默认是打开的。
        失败：非 0 错误码

> restrict，C语言中的一种类型[限定符][Link 1]（Type Qualifiers），用于告诉编译器，对象已经被指针所引用，不能通过除该指针外所有其他直接或间接的方式修改该对象的内容。

### 2、pthread\_mutex\_destroy函数（销毁指定的一个互斥锁） ###

#include <pthread.h>
    
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    功能：
        销毁指定的一个互斥锁。互斥锁在使用完毕后，必须要对互斥锁进行销毁，以释放资源。
    参数：
        mutex：互斥锁地址。
    返回值：
        成功：0
        失败：非 0 错误码

### 3、pthread\_mutex\_lock函数（对互斥锁上锁） ###

#include <pthread.h>
    
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    功能：
        对互斥锁上锁，若互斥锁已经上锁，则调用者阻塞，直到互斥锁解锁后再上锁。
    参数：
        mutex：互斥锁地址。
    返回值：
        成功：0
        失败：非 0 错误码
    
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
       调用该函数时，若互斥锁未加锁，则上锁，返回 0；
       若互斥锁已加锁，则函数直接返回失败，即 EBUSY。

### 4、pthread\_mutex\_unlock函数（对指定的互斥锁解锁） ###

#include <pthread.h>
    
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    功能：
        对指定的互斥锁解锁。
    参数：
        mutex：互斥锁地址。
    返回值：
        成功：0
        失败：非0错误码

## 五、测试程序 ##

pthread_mutex_t mutex; //互斥锁
    
    // 打印机
    void printer(char *str)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
        while (*str != '\0')
        {
            putchar(*str);
            fflush(stdout);
            str++;
            sleep(1);
        }
        printf("\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
    }
    
    // 线程一
    void *thread_fun_1(void *arg)
    {
        char *str = "hello";
        printer(str); //打印
    }
    
    // 线程二
    void *thread_fun_2(void *arg)
    {
        char *str = "world";
        printer(str); //打印
    }
    
    int main(void)
    {
        pthread_t tid1, tid2;
    
        pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //初始化互斥锁
    
        // 创建 2 个线程
        pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
        pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);
    
        // 等待线程结束，回收其资源
        pthread_join(tid1, NULL);
        pthread_join(tid2, NULL);
    
        pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁互斥锁
    
        return 0;
    }

[Link 1]: https://baike.baidu.com/item/%E9%99%90%E5%AE%9A%E7%AC%A6/1924249