以Linux下的测试程序说明递归型互斥量和普通互斥量的区别

Posted Harley_Quinn

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了以Linux下的测试程序说明递归型互斥量和普通互斥量的区别相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

先贴代码和测试结果

// Mutex.h: 对pthread的互斥量的RAII包装
#ifndef _MUTEX_H_
#define _MUTEX_H_

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

// 使用错误码errnum和字符串msg来打印错误信息, 并且退出程序
static inline void errExitEN(int errnum, const char* msg)
{
    fprintf(stderr, "%s Error: %s\n", msg, strerror(errnum));
    exit(1);
}

class Mutex
{
public:
    explicit Mutex()
    {
        int s;
        pthread_mutexattr_t attr;
        s = pthread_mutexattr_init(&attr);
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutexattr_init");
        s = pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_DEFAULT);
#ifdef ERRORCHECK
        s = pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK);
#elif RECURSIVE
        s = pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
#endif
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutexattr_settype");

        pthread_mutex_init(&__mtx, &attr);
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutex_init");

        s = pthread_mutexattr_destroy(&attr);
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutexattr_destroy");
    }

    virtual ~Mutex()
    {
        int s = pthread_mutex_destroy(&__mtx);
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutex_destroy");
    }

    void lock()
    {
        int s = pthread_mutex_lock(&__mtx);
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutex_lock");
    }

    void unlock()
    {
        int s = pthread_mutex_unlock(&__mtx);
        if (s != 0)
            errExitEN(s, "pthread_mutex_unlock");
    }
private:
    pthread_mutex_t __mtx;
};

#endif
// MutexTest.cpp: Mutex类对于重复获取同一把锁的测试
#include "Mutex.h"
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <array>

Mutex mtx;
std::array<int, 10> g_array;

// 将g_array[index]左边的元素自增(使用互斥量来保护)
void incrLeftWithMutex(int index)
{
    mtx.lock();
    for (int i = 0; i < index; i++)
        g_array[i]++;
    mtx.unlock();
}

// 将g_array[index]右边的元素自增(使用互斥量来保护)
void incrRightWithMutex(int index)
{
    mtx.lock();
    for (int i = index + 1; i < (int) g_array.size(); i++)
        g_array[i]++;
    mtx.unlock();
}

// 将g_array[index]以外的元素自增
void incrOtherItem(int index)
{
    mtx.lock();
    incrLeftWithMutex(index);
    incrRightWithMutex(index);
    mtx.unlock();
}

int main()
{
    g_array.fill(0);
    incrOtherItem(5);

    for (int i : g_array)
        printf("%d ", i);
    printf("\n");
    return 0;
}
$ g++ MutexTest.cpp -std=c++11 -pthread
$ time ./a.out 
^C
real    0m3.973s
user    0m0.004s
sys    0m0.000s

$ g++ MutexTest.cpp -std=c++11 -pthread -DERRORCHECK
$ ./a.out 
pthread_mutex_lock Error: Resource deadlock avoided
pthread_mutex_destroy Error: Device or resource busy
$ g++ MutexTest.cpp -std=c++11 -pthread -DRECURSIVE
$ ./a.out 
1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 

不额外定义宏则使用默认的互斥量(锁),定义宏ERRORCHECK则锁自带错误检查,定义宏RECURSIVE则代表递归锁。

主线程中调用了incrOtherItem函数,该函数先获取(acquire)锁mtx,然后调用另外2个函数后释放(release)锁mtx。

实验结果显示默认锁陷入了死锁,错误检查的结果是resource deadlock avoided(即陷入了死锁),而递归锁则成功执行了下去。

因为向一把已经被获取的锁申请上锁时,线程会阻塞一直到已获取锁的一方将锁释放。所以若线程已经获取了锁A而未释放,当它再次获取锁A时会陷入死锁,因为此线程会阻塞直到锁A被释放,然后只有拥有锁的线程(也就是它自己)才能释放锁,而线程自己处于阻塞中,所以永远处于阻塞状态。

递归锁就是为了解决这种状况,从incrOtherItem的函数定义看起来代码没任何问题,但是incrLeftWithMutex和incrRightWithMutex函数试图获取了同一把锁,这样相当于未释放锁就再次获取同一把锁。

递归锁会在内部维护一个计数器,当线程第1次获取互斥量时,计数器置为1,之后该线程可以在此获取同一把锁,每次获取锁计数器加1,每次释放锁计数器减1。由于此时其他线程无法获取锁,所以只要保证该线程的执行过程是可重入的,代码就没问题。

由于这种情况往往是函数递归调用时才出现的,比如

函数1:上锁,调用函数2,解锁。

函数2:上锁……解锁

函数1的过程就变成了:上锁,函数1的内容(第一部分),上锁,函数2的内容,解锁,函数1的内容(第二部分),解锁。

如果函数1的内容是不可重入的,而函数2修改了函数1的操作对象,那么这里就会出问题。

比如。函数1是想获取全局int数组(设为int a[4] = { 1,2,3,4 } )的总和,第一部分是求前半部分的和,第二部分是求后半部分的和。

而函数2若导致int数组发生了变化,比如让a[2] = 0,这样最后求得的和就是1+2+0+4=7而不是1+2+3+4=10。

以上是关于以Linux下的测试程序说明递归型互斥量和普通互斥量的区别的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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