线程的同步和互斥

一、互斥量——mutex
1、为什么需要互斥量？
1）大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况变量归属单个线程，其他线程无法获得变量。
2）但有的时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程间的交互。
3）多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题！
【例】存在共享变量问题的售票系统代码

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>

int ticket = 10;

void *route(void *arg)
{
    char *id = (char*)arg;
    while(1){
        if(ticket > 0){
            usleep(100000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
        }else{
            break;
        }
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;

    pthread_create(&tid1, NULL, route, "thread 1");
    pthread_create(&tid2, NULL, route, "thread 2");
    pthread_create(&tid3, NULL, route, "thread 3");
    pthread_create(&tid4, NULL, route, "thread 4");

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    pthread_join(tid4, NULL);
}

运行结果：
这里写图片描述

为什么可能无法获得正确的结果？
（1）if语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程；
（2）Usleep这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段；
（3）ticket操作本身就不是一个原子操作。

【例】取出ticket的部分汇编代码
这里写图片描述
可见：操作并不是原子操作，而是对应三条汇编指令
1）load：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中；
2）Update：更新寄存器里面的值，执行-1操作；
3）Store：将新值从寄存器写到共享变量ticket的内存地址。

要解决以上问题，需要做到三点：
1）代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
2）如果多个线程同时要求执行临界区代码，并且临界区没有线程执行，那么只能允许一个线程进入临界区。
3）如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫做互斥量。如下图所示：
这里写图片描述

2、互斥量的接口
（1）初始化互斥量
初始化互斥量有两种方法：
1）方法一：静态分配：
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
2)方法二：动态分配：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
参数：
mutex：要初始化的互斥量；
attr：NULL。

（2）销毁互斥量——pthread_mutex_destroy
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
1）销毁互斥量需要注意：
A、使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁；
B、不要销毁一个已经加锁的互斥量；
C、已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程在尝试加锁。

（3）互斥量加锁和解锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值：成功返回0，失败返回错误号
调用pthread_lock时，可能会遇到以下情况：
1）互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功。
2）发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争带互斥量，那么pthread_lock调用会陷入阻塞，等待互斥量解锁。

【例】改进上面的售票系统

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<pthread.h>
#include<sched.h>

int ticket = 10;
pthread_mutex_t mutex;

void *route(void *arg)
{
    char *id = (char*)arg;
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(ticket > 0){
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            sched_yield();//需注意！
        }else{
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
    }
}

int main(void)

{
    pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_create(&tid1, NULL, route, "thread 1");
    pthread_create(&tid2, NULL, route, "thread 2");
    pthread_create(&tid3, NULL, route, "thread 3");
    pthread_create(&tid4, NULL, route, "thread 4");

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    pthread_join(tid4, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

释：sched_yield()这个函数可以让等于或高于当前线程的线程先运行。如果没有符合条件的线程，那么这个函数将会立刻返回然后继续执行当前线程的程序。在成功完成之后返回零，否则返回-1。

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运行结果：
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线程的同步和互斥

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