多线程编程-互斥锁

1．引言：
互斥锁，是一种信号量，常用来防止两个进程或线程在同一时刻访问相同的共享资源。可以保证以下三点：
原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量。
唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量。
非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。
从以上三点，我们看出可以用互斥量来保证对变量（关键的代码段）的排他性访问。
 
2.函数说明：
需要的头文件：pthread.h
1）初始化互斥锁
函数原型：int  pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mp, const pthread_mutexattr_t *mattr)
参数说明：mp 互斥锁地址    mattr  属性 通常默认 null
初始化互斥锁之前，必须将其所在的内存清零。
如果互斥锁已初始化，则它会处于未锁定状态。互斥锁可以位于进程之间共享的内存中或者某个进程的专用内存中。
2）锁定互斥锁
函数原型：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); #include pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_ mutex_lock(&mp); /* acquire the mutex */
函数说明：
当 pthread_mutex_lock() 返回时，该互斥锁已被锁定。调用线程是该互斥锁的属主。如果该互斥锁已被另一个线程锁定和拥有，则调用线程将阻塞，直到该互斥锁变为可用为止。
如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_NORMAL，则不提供死锁检测。尝试重新锁定互斥锁会导致死锁。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或未锁定，则将产生不确定的行为。
如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK，则会提供错误检查。如果某个线程尝试重新锁定的互斥锁已经由该线程锁定，则将返回错误。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或者未锁定，则将返回错误。
如果互斥锁类型为 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE，则该互斥锁会保留锁定计数这一概念。线程首次成功获取互斥锁时，锁定计数会设置为 1。线程每重新锁定该互斥锁一次，锁定计数就增加 1。线程每解除锁定该互斥锁一次，锁定计数就减小 1。 锁定计数达到 0 时，该互斥锁即可供其他线程获取。如果某个线程尝试解除锁定的互斥锁不是由该线程锁定或者未锁定，则将返回错误。
如果互斥锁类型是 PTHREAD_MUTEX_DEFAULT，则尝试以递归方式锁定该互斥锁将产生不确定的行为。对于不是由调用线程锁定的互斥锁，如果尝试解除对它的锁定，则会产生不确定的行为。如果尝试解除锁定尚未锁定的互斥锁，则会产生不确定的行为。
返回值：
pthread_mutex_lock() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EAGAIN：由于已超出了互斥锁递归锁定的最大次数，因此无法获取该互斥锁。
EDEADLK：当前线程已经拥有互斥锁。
3）解除锁定互斥锁
函数原型：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); #include pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_mutex_unlock(&mutex); /* release the mutex */
函数说明：pthread_mutex_unlock() 可释放 mutex 引用的互斥锁对象。互斥锁的释放方式取决于互斥锁的类型属性。如果调用 pthread_mutex_unlock() 时有多个线程被 mutex 对象阻塞，则互斥锁变为可用时调度策略可确定获取该互斥锁的线程。对于 PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 类型的互斥锁，当计数达到零并且调用线程不再对该互斥锁进行任何锁定时，该互斥锁将变为可用。
返回值：pthread_mutex_unlock() 在成功完成之后会返回零。
其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下情况，该函数将失败并返回对应的值。
EPERM :当前线程不拥有互斥锁。
   
4）使用非阻塞互斥锁锁定
函数原型：
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); #include pthread_mutex_t mutex; int ret; ret = pthread_mutex_trylock(&mutex); /* try to lock the mutex */
函数说明：pthread_mutex_trylock() 
4000
是 pthread_mutex_lock() 的非阻塞版本。如果 mutex 所引用的互斥对象当前被任何线程（包括当前线程）锁定，则将立即返回该调用。否则，该互斥锁将处于锁定状态，调用线程是其属主。
返回值：pthread_mutex_trylock() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EBUSY :
由于 mutex 所指向的互斥锁已锁定，因此无法获取该互斥锁。
EAGAIN：描述:
由于已超出了 mutex 的递归锁定最大次数，因此无法获取该互斥锁。
5）销毁互斥锁
函数原型：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mp); #include pthread_mutex_t mp; int ret; ret = pthread_mutex_destroy(&mp); /* mutex is destroyed */请注意，没有释放用来存储互斥锁的空间。
返回值：
pthread_mutex_destroy() 在成功完成之后会返回零。其他任何返回值都表示出现了错误。如果出现以下任一情况，该函数将失败并返回对应的值。
EINVAL: mp 指定的值不会引用已初始化的互斥锁对象。
3．例子：
互斥锁用来保证一段时间内只有一个线程在执行一段代码。必要性显而易见：假设各个线程向同一个文件顺序写入数据，最后得到的结果一定是灾难性的。
我们先看下面一段代码。这是一个读/写程序，它们公用一个缓冲区，并且我们假定一个缓冲区只能保存一条信息。即缓冲区只有两个状态：有信息或没有信息。
void reader_function ( void );
void writer_function ( void );
char buffer;
int buffer_has_item=0;
pthread_mutex_t mutex;
struct timespec delay;
void main ( void ){
　pthread_t reader;
　/* 定义延迟时间*/
　delay.tv_sec = 2;
　delay.tv_nec = 0;
　/* 用默认属性初始化一个互斥锁对象*/
　pthread_mutex_init (&mutex,NULL);
pthread_create(&reader, pthread_attr_default, (void *)&reader_function), NULL);
　writer_function( );
}
void writer_function (void){
　while(1){
　　/* 锁定互斥锁*/
　　pthread_mutex_lock (&mutex);
　　if (buffer_has_item==0){
　　　buffer=make_new_item( );
　　　buffer_has_item=1;
　　}
　　/* 打开互斥锁*/
　　pthread_mutex_unlock(&mutex);
　　pthread_delay_np(&delay);
　}
}
void reader_function(void){
　while(1){
　　pthread_mutex_lock(&mutex);
　　if(buffer_has_item==1){
　　　consume_item(buffer);
　　　buffer_has_item=0;
　　}
　　pthread_mutex_unlock(&mutex);
　　pthread_delay_np(&delay);
　}
}
程序说明：
这里声明了互斥锁变量mutex，结构pthread_mutex_t为不公开的数据类型，其中包含一个系统分配的属性对象。函数pthread_mutex_init用来生成一个互斥锁。NULL参数表明使用默认属性。如果需要声明特定属性的互斥锁，须调用函数pthread_mutexattr_init。函数pthread_mutexattr_setpshared和函数pthread_mutexattr_settype用来设置互斥锁属性。前一个函数设置属性pshared，它有两个取值，PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和PTHREAD_PROCESS_SHARED。前者用来不同进程中的线程同步，后者用于同步本进程的不同线程。
在上面的例子中，我们使用的是默认属性PTHREAD_PROCESS_ PRIVATE。后者用来设置互斥锁类型，可选的类型有PTHREAD_MUTEX_NORMAL、PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK、PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE和PTHREAD
_MUTEX_DEFAULT。它们分别定义了不同的上锁、解锁机制，一般情况下，选用最后一个默认属性。
pthread_mutex_lock声明开始用互斥锁上锁，此后的代码直至调用pthread_mutex_unlock为止，均被上锁，即同一时间只能被一个线程调用执行。当一个线程执行到pthread_mutex_lock处时，如果该锁此时被另一个线程使用，那此线程被阻塞，即程序将等待到另一个线程释放此互斥锁。在上面的例子中，我们使用了pthread_delay_np函数，让线程睡眠一段时间，就是为了防止一个线程始终占据此函数。
4．饥饿和死锁的情形
当一个互斥量已经被别的线程锁定后，另一个线程调用pthread_mutex_lock()函数去锁定它时，会挂起自己的线程等待这个互斥量被解锁。可能出现以下两种情况：
“饥饿状态”：这个互斥量一直没有被解锁，等待锁定它的线程将一直被挂着，即它请求某个资源，但永远得不到它。用户必须在程序中努力避免这种“饥饿”状态出现。Pthread函数库不会自动处理这种情况。
“死锁”：一组线程中的所有线程都在等待被同组中另外一些线程占用的资源，这时，所有线程都因等待互斥量而被挂起，它们中的任何一个都不可能恢复运行，程序无法继续运行下去。这时就产生了死锁。Pthread函数库可以跟踪这种情形，最后一个线程试图调用pthread_mutex_lock()时会失败，并返回类型为EDEADLK的错误。