Linux线程安全：线程互斥

一、线程互斥的概念

1.1临界资源与互斥的关系

// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket = 100;
void* route(void* arg)
{
	char* id = (char*)arg;
	while (1) {
		if (ticket > 0) {
			usleep(1000);
			printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
			ticket--;
		}
		else {
			break;
		}
	}
}

如上图所示，票到最后被枪成了负数而其原因就是代码中没有对临界区资源进行保护，加上临界区对临界资源的操作也并不是原子的，所以最终导致票数成了负数。

1.3汇编角度分析

取出ticket--部分的汇编代码
objdump -d a.out > test.objdump
152 40064b: 8b 05 e3 04 20 00 mov 0x2004e3(%rip),%eax # 600b34 <ticket>
153 400651: 83 e8 01 sub $0x1,%eax
154 400654: 89 05 da 04 20 00 mov %eax,0x2004da(%rip) # 600b34 <ticket>

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的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。

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 上提供的这把锁叫互斥量。

二、互斥量（锁）的接口

2.1初始化互斥量

初始化互斥量有两种方法：

加锁本质上就是将并行执行变为串行执行。

方法1，静态分配:

如果要定义一把静态的锁，或者是全局的锁，直接定义一个pthread_mutex_t类型的变量，然后通过PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER进行初始化就可以使用锁。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

方法2，动态分配:

如果要定义一把局部的锁，就需要进行手动的初始化以及销毁。

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

2.2申请及使用锁

加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

申请锁会出现以下几种状态：

1、申请成功：函数就会返回，允许继续运行。

2、申请失败：函数就会阻塞，不允许继续往下执行。

3、函数调用失败，出错返回。

解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

尝试申请锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

三、互斥量实现原理

经过上面的例子，大家已经意识到单纯的 i++ 或者 ++i 都不是原子的，有可能会有数据一致性问题

为了实现互斥锁操作,大多数体系结构都提供了swap或exchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令,保证了原子性,即使是多处理器平台,访问内存的 总线周期也有先后,一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。 现在我们把lock和unlock的伪代码改一下。

int ticket = 100;
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(); 放弃CPU
		}
		else {
			pthread_mutex_unlock(&mutex);
			break;
		}
	}
}

 通俗来讲：调用锁以后，CPU内会存在一个al寄存器内部存储一个0，在申请锁时，内存中存在mutex内部为1，在一个线程调用锁时，CPU会将al和mutex中的值直接交换，如果此时al为1则说明申请成功，而该线程被中断后会将CPU寄存器中自己的上下文数据全部带走，此时al和mutex中都是0，当下一个线程申请锁时，al交换到的mutex中的内容还是0，此时就只能挂起等待别的线程将锁归还。