线程同步机制-互斥量

Posted 2020-12-07 hjj801006

记录肖堃老师讲解的linux线程

1. linux系统中多任务（进程/线程）之间的关系

1> 独立：仅竞争CPU资源

2> 互斥：竞争除CPU外的其他资源

3> 同步：协调彼此运行的步调，保证协同运行的各个任务具有正确的执行次序

4> 通信：数据共享，彼此间传递数据或信息，以协同完成某项工作

 

 

2. 线程的数据共享

 

线程间共享的数据和资源：进程代码段、进程中的全局变量（数据段）、进程打开的文件......

每个线程私有的数据和资源：线程ID，线程上下文（一组寄存器值的集合）、线程局部变量（存储在栈中）。

 

因此，线程之间可以通过进程中的全局变量，非常容易的实现通信和数据共享。

 

3. 任务的互斥关系

任务互斥-资源共享关系（间接相互制约关系）

任务本身之间不存在直接联系。一个任务正在使用某个系统资源，另外一个想用该资源的任务就必须等待，而不能同时使用

 

例如：全局变量存储在进程数据段中，被线程所共享。线程对全局变量的访问，要经历三个步骤：

1）将内存单元中的数据读入寄存器

2）对寄存器中的值进行运算

3）将寄存器中的值写回内存单元

 

 

如上图所示：

两个线程A和B，共享同一个全局变量 i，两个线程对 i 都实现i+1的操作，在某种特定极端情况下，会产生一些意料不到的效果。

1> 线程A先执行，将内存中的 i 值读入到寄存器当中，此时i的值为5

2> 线程A对寄存器中的 i 值进行 加1 运算，此时寄存器值为6。同时线程B并发开始运行。由于线程A还没有将寄存器的值（register=6）写回内存单元，

  此时，线程B从内存中读取的 i 的值还是5。

3> 线程A将寄存器值写回内存（register=6）。线程B并发执行 i+1,  由于每个线程中，寄存器是私有的。因此，此时线程B中寄存器值执行的是（5+1=6）。

4> 线程B将寄存器值写回内存（register=6）

以上情况发现，本来的意图是 线程A执行 i+1后， 线程B执行再 i+1， 但是因为两个线程之间没有对共享资源访问的保护机制，所以导致对全局变量修改的丢失。

 

 

4. 临界资源

针对上面提到的情况，操作系统提出了临界资源的概念

临界资源：在一段时间内只允许一个任务（线程/进程）访问的资源。各个任务间应采取互斥方式，实现对资源的共享。

共享变量，打印机等属于临界资源。 

访问临界资源的那段代码被称为临界区

 

互斥量的作用：确保同一时间里 只有一个线程访问临界资源或进入临界区

互斥量（mutex）本质上是一把锁

1）在访问临界资源前，对互斥量进行加锁

2）在访问完成后对互斥量进行解锁

3）对互斥量加锁后，任何其他试图对互斥量加锁的线程将会被阻塞，直到互斥量被解锁为止

 

 

5.  互斥量使用

1）定义互斥量变量

　　pthread_mutex_t mutex;

2）初始化互斥量

3）访问临界资源前对互斥量加锁

4）访问临界资源后对互斥量解锁

5）销毁互斥量变量

 

 

1）互斥量初始化

 头文件：pthread.h

静态初始化：

pthread_mutex_t mlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

动态初始化：

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

参数与返回值：

　　mutex - 指向互斥量的指针

　　attr - 设置互斥量的属性，通常可采用默认属性，传入空指针（NULL）

　　成功返回0，出错返回错误码

 

2）互斥量销毁: 互斥量使用完毕后，必须要对互斥量进行销毁，以释放资源

int pthread_mutex_destory( pthread_mutex_t *mutex )

参数与返回值：

　　mutex - 指向互斥量的指针

　　成功返回0，出错返回错误码

 

3）在对临界资源访问之前和访问之后，需要对互斥量进行加锁和解锁

int pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t *mutex )

int pthread_mutex_unlock( pthread_mutex_t *mutex )

参数与返回值：

　　mutex - 指向互斥量的指针

　　成功返回0，出错返回错误码

当调用pthread_mutex_lock时，若互斥量已被加锁，则调用线程将被阻塞，直到可以完成加锁操作（其他线程解锁后）为止

 

4）互斥量非阻塞加锁

pthread_mutex_trylock( pthread_mutex_t *mutex ) 

调用该函数时，若互斥量未加锁，则对该互斥量进行加锁，返回0；若互斥量已加锁，则函数直接返回错误码EBUSY（不会阻塞调用线程）