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 2020-10-01 Harley_Quinn

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。