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news 2025/9/17 8:25:14

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线程互斥

线程互斥：
任何时刻，保证只有一个执行流进入临界区访问临界资源，通常对临界资源起到保护作用

相关概念

临界资源： 一次仅允许一个进程使用的共享资源
临界区： 每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
原子性： 不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态（无中间态，即使被打断，也不会受影响），要么完成，要么未完成

互斥量mutex

概念：
多个线程对一个共享变量进行操控时，会引发数据不一致的问题。此时就引入了互斥量（也叫互斥锁）的概念，来保证共享数据操作的完整性。在被加锁的任一时刻，临界区的代码只能被一个线程访问。

为了更好的阐述这个概念，这里用一个抢票代码去演示

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
int ticket=1000;
void* getTicket(void* args)
{long id=(long) args;while(1){if(ticket>0){usleep(1000);--ticket;printf("thread %ld get a ticket,the number is %d\n",id,ticket);}else{break;}}
}
int main()
{//创建五个线程pthread_t t1[5];for(int i=0;i<5;++i){pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);}//主线程在阻塞等待for(int i=0;i<5;++i){pthread_join(t1[i],nullptr);}return 0;
}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

我们发现票到负数了还会继续执行

原因如下：

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
usleep 这个过程中，ticket还没有进行--的操作有很多线程会进入if条件
–-ticket 操作本身就不是一个原子操作ticket有三条汇编指令（如下）：

movl  ticket(%rip), %eax     # 把ticket的值(内存)加载到eax寄存器中                                                                                                     
subl  $1, %eax               # 把eax寄存器中的值减1
movl  %eax, ticket(%rip)     # 把eax寄存器中的值赋给ticket变量

有可能在你执行到第二条汇编的时候，还没来得及拷贝给内存，就别切换走了，就会导致减到负数，因为别的线程在读取的时候内存中的ticket还是1

如何解决上述问题？

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。
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。
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。

在这里插入图片描述

在临界区内，线程只能串行执行，在临界区外，线程可以并发执行

互斥量的接口

互斥量其实就是一把锁，是一个类型为pthread_mutex_t的变量，使用前需要进行初始化操作，使用完之后需要对锁资源进行释放

初始化互斥量:

全局锁或静态锁：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

局部锁：

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

参数：
restrict mutex：要初始化的锁
restrict attr：不关心，置空
返回值：
成功返回0，失败返回错误码
注意：
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
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，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁再去竞争锁

加锁：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：
mutex：要加的锁
返回值：
成功返回0，失败返回错误码

解锁：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：

mutex：要解的锁

返回值：
成功返回0，失败返回错误码

销毁互斥量：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数：
mutex：要销毁锁
返回值：
成功返回0，失败返回错误码

注意：

不要销毁一个已经加锁的互斥量
已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁
加锁的粒度要够小

用以上的方法再需要的地方进行加锁

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
using namespace std;
int ticket=1000;
class ThreadData
{
public:ThreadData(const string& threadname,pthread_mutex_t* mutex):thread_name(threadname),mutex_p(mutex){}string thread_name;pthread_mutex_t* mutex_p;
};
//创建并初始化
//全局的锁这样写可以不用初始化和销毁
// pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER;
void* getTicket(void* args)
{ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);// ThreadData* td=(ThreadData*) args;while(1){//加锁pthread_mutex_lock(td->mutex_p);if(ticket>0){usleep(1000);cout << td->thread_name << " tickets is " << ticket << endl;--ticket;//解锁pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);}else{//解锁pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);break;}//抢完票就完了吗？需要形成订单给用户//这里如果不休息，会一直是第4个线程在跑，原因是锁只规定互斥访问，没有规定必须让谁优先执行//锁就是真是的让多个执行流进行竞争的结果usleep(1000);}
}int main()
{//创建五个线程pthread_t t1[5];pthread_mutex_t lock;pthread_mutex_init(&lock,nullptr);for(int i=0;i<5;++i){char buffer[64];snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s""%d","thread ",i+1);//锁用同一把ThreadData* td=new ThreadData(buffer,&lock);pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,td);}for(int i=0;i<5;++i){pthread_join(t1[i],nullptr);}pthread_mutex_destroy(&lock);return 0;
}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

这里运行会变慢，因为加锁以后是串行执行！

如何看待锁？

锁本身就是一个共享资源，全局变量是要被保护的，锁用来保护全局资源，锁本身也是全局资源，所以加锁的过程必须是安全的！加锁的过程是**原子的，锁如果申请成功，继续向后执行，**如果暂时没有申请成功，执行流会阻塞

如果锁申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源，其他线程正在做什么？

阻塞等待

如果锁申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源，我可以被切换吗？

可以，当持有线程的锁被切走，其他线程依旧无法申请锁成功，也无法向后执行，直到我释放这个锁

互斥量的原理

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

下面是lock和unlock的伪代码

lock:movb $0, %a1     # 把0值放进寄存器a1里xchgb %a1, mutex # 交换a1寄存器的内容和锁的值（无线程使用锁时，metux的值为1） if (%a1 > 0)return 0; # 得到锁else挂起等待;goto lock;
unlock:movb $1 mutex  #把1赋给锁	唤醒等待的线程;return 0;

下图展示了如何实现：

在这里插入图片描述

解锁的伪代码步骤（只有有锁的线程才可以执行到这段代码）：

把mutex的值改为1
唤醒等待锁的线程

封装锁

Mutex.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <pthread.h>class Mutex
{
public:Mutex(pthread_mutex_t *lock_p = nullptr): lock_p_(lock_p){}void lock(){if(lock_p_) pthread_mutex_lock(lock_p_);}void unlock(){if(lock_p_) pthread_mutex_unlock(lock_p_);}~Mutex(){}
private:pthread_mutex_t *lock_p_;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t *mutex): mutex_(mutex){mutex_.lock(); //在构造函数中进行加锁}~LockGuard(){mutex_.unlock(); //在析构函数中进行解锁}
private:Mutex mutex_;
};

test.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <memory>
#include <cassert>#include "Mutex.hpp"// 共享资源， 火车票
int tickets = 10000;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *getTicket(void *args)
{long long username = (long long)args;while (true){{//出了作用域会销毁LockGuard lockguard(&lock); // RAII风格的加锁！if (tickets > 0){usleep(1254); std::cout << username << " 正在进行抢票: " << tickets << std::endl;tickets--;}else{break;}}usleep(1000); }return nullptr;
}
int main()
{#define NUM 4pthread_t t1[5];for(int i=0;i<5;++i){pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);}//主线程保持运行for(int i=0;i<5;++i){pthread_join(t1[i],nullptr);}return 0;
}

线程安全和可重入

概念

线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。
重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。