Linux之线程互斥锁

导读 在编程中,引入了对象互斥锁的概念,来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为” 互斥锁” 的标记,这个标记用来保证在任一时刻,只能有一个线程访问该对象。Linux实现的互斥锁机制包括POSIX互斥锁和内核互斥锁,本文主要讲POSIX互斥锁,即线程间互斥锁。

信号量用在多线程多任务同步的,一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程,别的线程再进行某些动作(大家都在sem_wait的时候,就阻塞在 那里)。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的,一个线程占用了某一个资源,那么别的线程就无法访问,直到这个线程unlock,其他的线程才开始可以利用这 个资源。比如对全局变量的访问,有时要加锁,操作完了,在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的”

也就是说,信号量不一定是锁定某一个资源,而是 流程上的概念,比如:有A,B两个线程,B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤,这个任务并不一定是锁定某一资源,还可以是进行一些计算 或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念,在锁定期间内,其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。

两者之间的区别:

作用域

信号量 : 进程间或线程间(linux仅线程间)

互斥锁 : 线程间

上锁时

信号量 : 只要信号量的value大于0,其他线程就可以sem_wait成功,成功后信号量的value减一。若value值不大于0,则sem_wait阻塞,直到sem_post释放后value值加一。一句话,信号量的value>=0 。

互斥锁 : 只要被锁住,其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁,获得资源成功,否则进行阻塞等待资源可用。一句话,线程互斥锁的vlaue可以为负数 。

多线程

线程是计算机中独立运行的最小单位,运行时占用很少的系统资源。与多进程相比,多进程具有多进程不具备的一些优点,其最重要的是:对于多线程来说,其能够比多进程更加节省资源。

线程创建

在Linux中,新建的线程并不是在原先的进程中,而是系统通过一个系统调用clone()。该系统copy了一个和原先进程完全一样的进程,并在这个进程中执行线程函数。

在Linux中,通过函数pthread_create()函数实现线程的创建:

pthread_create()

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

其中:

  • thread表示的是一个pthread_t类型的指针;
  • attr用于指定线程的一些属性;
  • start_routine表示的是一个函数指针,该函数是线程调用函数;
  • arg表示的是传递给线程调用函数的参数。
  • 当线程创建成功时,函数pthread_create()返回0,若返回值不为0则表示创建线程失败。对于线程的属性,则在结构体pthread_attr_t中定义。

    线程创建的过程如下所示:

    #include  
    #include  
    #include  
    #include  
     
    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; 
    } 
    

    在上述代码中,使用到了pthread_self()函数,该函数的作用是获取本线程的线程ID。在主函数中的sleep()用于将主进程处于等待状态,以让线程执行完成。最终的执行效果如下所示:

    Linux之线程互斥锁

    那么,如何利用arg向子线程传递参数呢?其具体的实现如下所示:

    #include  
    #include  
    #include  
    #include  
     
    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; 
    } 
    

    其最终的执行效果如下图所示:

    Linux之线程互斥锁

    如果在主进程提前结束,会出现什么情况呢?如下述的代码:

    #include  
    #include  
    #include  
    #include  
     
    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; 
    } 
    

    此时,主进程提前结束,进程会将资源回收,此时,线程都将退出执行,运行结果如下所示:

    Linux之线程互斥锁

    线程挂起

    在上述的实现过程中,为了使得主线程能够等待每一个子线程执行完成后再退出,使用了free()函数,在Linux的多线程中,也可以使用pthread_join()函数用于等待其他线程,函数的具体形式为:

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

    函数pthread_join()用来等待一个线程的结束,其调用这将被挂起。

    一个线程仅允许一个线程使用pthread_join()等待它的终止。

    如需要在主线程中等待每一个子线程的结束,如下述代码所示:

    #include  
    #include  
    #include  
    #include  
     
    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; 
    } 
    

    最终的执行效果如下所示:

    Linux之线程互斥锁

    注:在编译的时候需要链接libpthread.a:

    g++ xx.c -lpthread -o xx

    互斥锁mutex
    多线程的问题引入

    多线程的最大的特点是资源的共享,但是,当多个线程同时去操作(同时去改变)一个临界资源时,会破坏临界资源。如利用多线程同时写一个文件:

    #include  
    #include  
     
    const char filename[] = "hello"; 
     
    void* thread(void *id){ 
      int num = *(int *)id; 
     
      // 写文件的操作 
      FILE *fp = fopen(filename, "a+"); 
      int start = *((int *)id); 
      int end = start + 1; 
      setbuf(fp, NULL);// 设置缓冲区的大小 
      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); 
       } 
       // 释放资源 
       free(pt); 
    free(id); 
       return 0; 
    } 
    

    执行以上的代码,我们会发现,得到的结果是混乱的,出现上述的最主要的原因是,我们在编写多线程代码的过程中,每一个线程都尝试去写同一个文件,这样便出现了上述的问题,这便是共享资源的同步问题,在Linux编程中,线程同步的处理方法包括:信号量,互斥锁和条件变量。

    互斥锁

    互斥锁是通过锁的机制来实现线程间的同步问题。互斥锁的基本流程为:

  • 初始化一个互斥锁:pthread_mutex_init()函数
  • 加锁:pthread_mutex_lock()函数或者pthread_mutex_trylock()函数
  • 对共享资源的操作
  • 解锁:pthread_mutex_unlock()函数
  • 注销互斥锁:pthread_mutex_destory()函数
  • 其中,在加锁过程中,pthread_mutex_lock()函数和pthread_mutex_trylock()函数的过程略有不同:

  • 当使用pthread_mutex_lock()函数进行加锁时,若此时已经被锁,则尝试加锁的线程会被阻塞,直到互斥锁被其他线程释放,当pthread_mutex_lock()函数有返回值时,说明加锁成功;
  • 而使用pthread_mutex_trylock()函数进行加锁时,若此时已经被锁,则会返回EBUSY的错误码。
  • 同时,解锁的过程中,也需要满足两个条件:

  • 解锁前,互斥锁必须处于锁定状态;
  • 必须由加锁的线程进行解锁。
  • 当互斥锁使用完成后,必须进行清除。

    有了以上的准备,我们重新实现上述的多线程写操作,其实现代码如下所示:

    #include  
    #include  
     
    pthread_mutex_t mutex; 
     
    const char filename[] = "hello"; 
     
    void* thread(void *id){ 
     
       int num = *(int *)id; 
       // 加锁 
     
       if (pthread_mutex_lock(&mutex) != 0){ 
         fprintf(stdout, "lock error!/n"); 
       } 
       // 写文件的操作 
       FILE *fp = fopen(filename, "a+"); 
       int start = *((int *)id); 
       int end = start + 1; 
       setbuf(fp, NULL);// 设置缓冲区的大小 
    fprintf(stdout, "%d/n", start); 
       for (int i = (start * 10); i < (end * 10); i ++){ 
          fprintf(fp, "%d/t", i); 
       } 
       fprintf(fp, "/n"); 
       fclose(fp); 
     
       // 解锁 
       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); 
     // 初始化互斥锁 
       if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0){ 
         // 互斥锁初始化失败 
         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); 
       // 释放资源 
     free(pt); 
       free(id); 
       return 0; 
    } 
    

    最终的结果为:

    Linux之线程互斥锁

    原创文章,作者:ItWorker,如若转载,请注明出处:https://blog.ytso.com/124334.html

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