这篇文章介绍 Linux 下线程同步与互斥机制--互斥锁，在多线程并发的时候，都会出现多个消费者取数据的情况，这种时候数据都需要进行保护，比如: 火车票售票系统、汽车票售票系统一样，总票数是固定的，但是购票的终端非常多。
互斥锁就是用来保护某一个资源不能同时被 2 个或者 2 个以上的线程使用。
为什么需要加锁？就是因为多个线程共用进程的资源，要访问的是公共区间时（全局变量），当一个线程访问的时候，需要加上锁以防止另外的线程对它进行访问，以实现资源的独占。在一个时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程才能够对共享资源进行操作。若其他线程希望上锁一个已经上锁了的互斥锁，则该线程就会挂起，直到上锁的线程释放掉互斥锁为止。
1. 互斥锁介绍
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 系统下定义了一套专门用于线程互斥的 mutex 函数。
mutex 是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的存取，这个互斥锁只有两种状态（上锁和解锁），可以把互斥锁看作某种意义上的全局变量。
总结： 互斥锁可以保护某个资源同时只能被一个线程所使用。
2. 互斥锁相关的函数
#include <pthread.h>//销毁互斥锁int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); //初始化互斥锁int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);//上锁: 阻塞方式int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//上锁: 非阻塞方式int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//解锁int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
说明: 对于Linux下的信号量/读写锁文件进行编译,需要在编译选项中指明-D_GNU_SOURCE否则用gcc编译就会出现PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP未声明(在此函数内第一次使用) 这样的提示。例如: $ gcc app.c -lpthread -D_GNU_SOURCE
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2.1 初始化互斥锁
头文件#include <pthread.h>定义函数int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t* attr );函数说明该函数初始化一个互斥体变量，如果参数attr 为NULL，则互斥体变量mutex 使用默认的属性。
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2.2 销毁互斥锁
头文件#include <pthread.h>定义函数int pthread_mutex_destroy ( pthread_mutex_t *mutex );函数说明该函数用来释放分配给参数mutex 的资源。返回值调用成功时返回值为 0， 否则返回一个非0 的错误代码。
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2.3 上锁
头文件#include <pthread.h>定义函数int pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t *mutex );函数说明该函数用来锁住互斥体变量。如果参数mutex 所指的互斥体已经被锁住了，那么发出调用的线程将被阻塞直到其他线程对mutex 解锁。如果上锁成功，将返回0。
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2.4 尝试上锁-非阻塞
表头文件#include <pthread.h>定义函数int pthread_mutex_trylock( pthread_t *mutex );函数说明该函数用来锁住mutex 所指定的互斥体，但不阻塞。返回值如果该互斥体已经被上锁，该调用不会阻塞等待，而会返回一个错误代码。如果上锁成功，将返回0.
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2.5 解锁
头文件#include <pthread.h>定义函数int pthread_mutex_unlock( pthread_mutex_t *mutex );函数说明该函数用来对一个互斥体解锁。如果当前线程拥有参数mutex 所指定的互斥体，该调用将该互斥体解锁。如果解锁成功，将返回0.说明: 对同一个锁多次解锁没有叠加效果，如果锁是上锁状态，那么多次解锁也只有一次有效。
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3. 互斥锁框架运用模型
pthread_mutex_t mutex;void 线程1(void){ while(1) { //上锁 pthread_mutex_lock(&mutex); .....主体代码...... //解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); }}void 线程2(void){ while(1) { //上锁 pthread_mutex_lock(&mutex); .....主体代码...... //解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); }}
int main(void){ //初始化互斥锁 pthread_mutex_init(&mutex,NULL); .....主体代码...... //销毁互斥锁 pthread_mutex_destroy(&mutex);}
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4. 案例代码: 对公共函数上锁保护
下面代码是两个线程同时调用了一个打印函数，分别打印: “123” “456”。
void print(char *p){ while(*p!='\0') { printf("%c",*p++); sleep(1); }}
void *thread1_func(void *arg){ print("123\n");}
void *thread2_func(void *arg){ print("456\n");}
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如果不保护，默认的打印结果:
[wbyq@wbyq linux-share-dir]$ ./a.out 412536
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预期的结果应该是打印 123\456 连续在一起的，对于这种情况，就可以加锁进行保护。
上锁的示例代码:
#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <dirent.h>#include <stdlib.h>#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
void print(char *p){ while(*p!='\0') { printf("%c",*p++); sleep(1); }}
/*线程工作函数*/void *thread_work_func(void *dev){ while(1) { //上锁 pthread_mutex_lock(&mutex); print("123\n"); //解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); usleep(1000*10); }}
/*线程工作函数*/void *thread_work_func2(void *dev){ //上锁 pthread_mutex_lock(&mutex); print("456\n"); //解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); usleep(1000*10);}
int main(int argc,char **argv){ //初始化互斥锁 pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
/*1. 创建子线程1*/ pthread_t thread_id; if(pthread_create(&thread_id,NULL,thread_work_func,NULL)!=0) { printf("子线程1创建失败.\n"); return -1; } /*2. 创建子线程2*/ pthread_t thread_id2; if(pthread_create(&thread_id2,NULL,thread_work_func2,NULL)!=0) { printf("子线程2创建失败.\n"); return -1; }
/*3. 等待线程的介绍*/ pthread_join(thread_id,NULL); pthread_join(thread_id2,NULL);
//销毁互斥锁 pthread_mutex_destroy(&mutex); return 0;}
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5. 案例代码: 模拟火车票售卖系统(保护同一个全局变量)
下面代码模拟一个火车票售卖系统，此处不加锁，可能会出现卖出负数票的情况。
#include <stdio.h>#include <pthread.h>int cnt = 121; //火车票，公共资源（全局）void* pthread1(void* args){ while(ticketcount > 0) { printf("窗口A开始售票,门票是:%d\n",cnt); sleep(2); cnt--; printf("窗口A售票结束,最后一张车票是:%d\n",cnt); }}
void* pthread2(void* args){ while(cnt > 0) { printf("窗口B开始售票,车票是:%d\n",cnt); sleep(2); cnt--; printf("窗口B售票结束,最后一张车票是:%d\n",cnt); }}int main(){ pthread_t pthid1 = 0; pthread_t pthid2 = 0; pthread_create(&pthid1,NULL,pthread1,NULL); pthread_create(&pthid2,NULL,pthread2,NULL); pthread_join(pthid1,NULL); pthread_join(pthid2,NULL); return 0;}
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加锁之后的火车售票系统
#include <stdio.h>#include <pthread.h>int cnt = 121;pthread_mutex_t lock;void* pthread1(void* args){ while(1) { pthread_mutex_lock(&lock); //因为要访问全局的共享变量，所以就要加锁 if(cnt > 0) //如果有票 { printf("窗口A开始售票,车票是:%d\n",cnt); sleep(2); cnt--; printf("窗口A售票结束,最后一张车票是:%d\n",cnt); } else { pthread_mutex_unlock(&lock); pthread_exit(NULL); } pthread_mutex_unlock(&lock); sleep(1); //要放到锁的外面，让另一个有时间锁 }}void* pthread2(void* args){ while(1) { pthread_mutex_lock(&lock); if(cnt>0) { printf("窗口B开始售票--车票是:%d\n",cnt); sleep(2); cnt--; printf("窗口B售票结束,最后一张车票是:%d\n",cnt); } else { pthread_mutex_unlock(&lock); pthread_exit(NULL); } pthread_mutex_unlock(&lock); sleep(1); }}int main(){ pthread_t pthid1 = 0; pthread_t pthid2 = 0; //初始化锁 pthread_mutex_init(&lock,NULL); //创建线程 pthread_create(&pthid1,NULL,pthread1,NULL); pthread_create(&pthid2,NULL,pthread2,NULL); //等待线程结束 pthread_join(pthid1,NULL); pthread_join(pthid2,NULL); //销毁锁 pthread_mutex_destroy(&lock); return 0;}
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