使用互斥锁实现线程同步

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使用互斥锁实现线程同步

c语言中文网：使用互斥锁实现线程同步

互斥锁实现多线程同步的核心思想是：有线程访问进程空间中的公共资源时，该线程执行“加锁”操作（将资源“锁”起来），阻止其它线程访问。访问完成后，该线程负责完成“解锁”操作，将资源让给其它线程。当有多个线程想访问资源时，谁最先完成“加锁”操作，谁就最先访问资源。

当有多个线程想访问“加锁”状态下的公共资源时，它们只能等待资源“解锁”，所有线程会排成一个==等待（阻塞）队列==。资源解锁后，==操作系统会唤醒等待队列中的所有线程，第一个访问资源的线程会率先将资源“锁”起来，其它线程则继续等待。==

本质上，互斥锁就是一个全局变量，它只有 “lock” 和 “unlock” 两个值，含义分别是：

  • “unlock” 表示当前资源可以访问，第一个访问资源的线程负责将互斥锁的值改为 “lock”，访问完成后再重置为“unlock”；
  • “lock” 表示有线程正在访问资源，其它线程需等待互斥锁的值为 “unlock” 后才能开始访问。

通过对资源进行 “加锁（lock）”和 “解锁（unlock）”，可以确保同一时刻最多有 1 个线程访问该资源，从根本上避免了“多线程抢夺资源”的情况发生。

再次强调，对资源进行“加锁”和“解锁”操作的必须是同一个线程。换句话说，哪个线程对资源执行了“加锁”操作，那么“解锁”操作也必须由该线程负责。

互斥锁的用法

POSIX 标准规定，用 pthread_mutex_t 类型的变量来表示一个互斥锁，该类型以结构体的形式定义在<pthread.h>头文件中。举个例子：

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pthread_mutex_t myMutex;

我们成功地定义了一个名为 myMutex 的互斥锁，但要想使用它，还要进行初始化操作。

1) 互斥锁的初始化

初始化 pthread_mutex_t 变量的方式有两种，分别为：

  1. 使用特定的宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
  2. 调用初始化的函数 pthread_mutex_init()
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//1、使用特定的宏
pthread_mutex_t myMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

//2、调用初始化的函数
pthread_mutex_t myMutex;
pthread_mutex_init(&myMutex , NULL);

以上两种初始化方式是完全等价的，PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏和 pthread_mutex_init() 函数都定义在 <pthread.h> 头文件中，它们的主要区别在于：

  • pthread_mutex_init() 函数可以自定义互斥锁的属性（具体自定义的方法，这里不再进行讲解）。
  • 对于调用 malloc() 函数分配动态内存的互斥锁，只能以第 2 种方法完成初始化；

pthread_mutex_init() 函数专门用于初始化互斥锁，语法格式如下：

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int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

mutex 参数表示要初始化的互斥锁；attr 参数用于自定义新建互斥锁的属性，attr 的值为 NULL 时表示以默认属性创建互斥锁。

pthread_mutex_init() 函数成功完成初始化操作时，返回数字 0；如果初始化失败，函数返回非零数。

注意，不能对一个已经初始化过的互斥锁再进行初始化操作，否则会导致程序出现无法预料的错误。

2) 互斥锁的“加锁”和“解锁”

对于互斥锁的“加锁”和“解锁”操作，常用的函数有以下 3 种：

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int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t* mutex);   //实现加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t* mutex);  //实现加锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t* mutex);   //实现解锁

参数 mutex 表示我们要操控的互斥锁。函数执行成功时返回数字 0，否则返回非零数。

pthread_mutex_unlock() 函数用于对指定互斥锁进行“解锁”操作，pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_trylock() 函数都用于实现“加锁”操作，不同之处在于当互斥锁已经处于“加锁”状态时：

  • 执行 pthread_mutex_lock() 函数会使线程进入等待（阻塞）状态，直至互斥锁得到释放；

  • 执行 pthread_mutex_trylock() 函数不会阻塞线程，直接返回非零数（表示加锁失败）。

3) 互斥锁的销毁

对于使用动态内存创建的互斥锁，例如：

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pthread_mutex_t myMutex = (pthread_mutex_t *)malloc(sizeof(pthread_mutex_t));pthread_mutex_init(&myMutex , NULL);

手动释放 myMutex 占用的内存（调用 free() 函数）之前，必须先调用 pthread_mutex_destory() 函数销毁该对象。

pthread_mutex_destory() 函数用于销毁创建好的互斥锁，语法格式如下：

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int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数 mutex 表示要销毁的互斥锁。如果函数成功销毁指定的互斥锁，返回数字 0，反之返回非零数。

对于这个例子，销毁操作为：

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int res;
res = pthread_mutex_destroy(&myMutex);

注意，对于用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 或者 pthread_mutex_init() 函数直接初始化的互斥锁，无需调用 pthread_mutex_destory() 函数手动销毁。

只有malloc新建互斥锁对象的需要销魂

互斥锁的实际应用

接下来，我们使用互斥锁对《线程同步机制》一节中模拟“4 个售票员卖 10 张票”的程序进行改良，如下所示：

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
int ticket_sum = 10;
//创建互斥锁
pthread_mutex_t myMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//模拟售票员卖票
void *sell_ticket(void *arg) {
    //输出当前执行函数的线程 ID
    printf("当前线程ID：%u\n", pthread_self());
    int i;
    int islock = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        //当前线程“加锁”
        islock = pthread_mutex_lock(&myMutex);
        //如果“加锁”成功，执行如下代码
        if (islock == 0) {
            //如果票数 >0 ,开始卖票
            if (ticket_sum > 0)
            {
                sleep(1);
                printf("%u 卖第 %d 张票\n", pthread_self(), 10 - ticket_sum + 1);
                ticket_sum--;
            }
            //当前线程模拟完卖票过程，执行“解锁”操作
            pthread_mutex_unlock(&myMutex);
        }
    }
    return 0;
}
int main() {
    int flag;
    int i;
    void *ans;
    //创建 4 个线程，模拟 4 个售票员
    pthread_t tids[4];
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        flag = pthread_create(&tids[i], NULL, &sell_ticket, NULL);
        if (flag != 0) {
            printf("线程创建失败!");
            return 0;
        }
    }
    sleep(10);   //等待 4 个线程执行完成
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        //阻塞主线程，确认 4 个线程执行完成
        flag = pthread_join(tids[i], &ans);
        if (flag != 0) {
            printf("tid=%d 等待失败！", tids[i]);
            return 0;
        }
    }
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程为：

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[root@localhost ~]# gcc thread.c -o thread.exe -lpthread
[root@localhost ~]# ./thread.exe
当前线程ID：149493504
当前线程ID：170473216
当前线程ID：159983360
当前线程ID：139003648
149493504 卖第 1 张票
149493504 卖第 2 张票
149493504 卖第 3 张票
139003648 卖第 4 张票
139003648 卖第 5 张票
139003648 卖第 6 张票
139003648 卖第 7 张票
139003648 卖第 8 张票
159983360 卖第 9 张票
159983360 卖第 10 张票

程序中共创建了 4 个线程，每个线程“开始卖票”前都会进行“加锁”操作（第 17 行），“卖票结束”后再执行“解锁”操作（第 28 行）。通过执行结果可以看到，互斥锁很好地解决了“线程间竞争资源”的问题，实现了线程同步。

chatgpt：C++互斥锁教程

chatgpt：C++互斥锁教程

在 C++ 中使用互斥锁（mutex）可以保证线程安全，避免竞态条件和数据竞争等问题。下面是一个简单的互斥锁使用示例：

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex g_mutex;  // 全局互斥锁

void print(int num)
{
    g_mutex.lock();  // 上锁
    std::cout << "Thread " << num << " is printing." << std::endl;
    g_mutex.unlock();  // 解锁
}

int main()
{
    std::thread t1(print, 1);
    std::thread t2(print, 2);
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了一个全局互斥锁 g_mutex，并在 print 函数中使用了它来保护输出操作。在 print 函数中，先调用 g_mutex.lock() 上锁，执行输出操作，最后调用 g_mutex.unlock() 解锁。

在 main 函数中，我们创建了两个线程 t1 和 t2，分别调用 print 函数，并使用 join() 函数等待线程结束。

使用互斥锁时需要注意以下事项：

  1. 互斥锁的生命周期应该尽量短，以避免锁的持有时间过长，影响程序性能。
  2. 在需要共享数据的线程中，需要使用相同的互斥锁来保护共享数据。
  3. 在使用互斥锁时，要注意避免死锁和饥饿等问题。
  4. 可以使用 RAII 技术来管理互斥锁，以避免忘记解锁而导致的死锁问题。
  5. C++11 中提供了更加灵活和高效的锁，如 std::unique_lock、std::shared_lock 和 std::lock_guard 等，可以根据实际情况选择适合的锁类型。

这是互斥锁的简单介绍，如果需要更深入的了解，可以参考 C++ 的相关文档或教程。