【Linux系统编程】线程同步与互斥:互斥锁
2016-08-21 20:36
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为什么需要互斥锁?
在多任务操作系统中,同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于,公司部门里,我在使用着打印机打印东西的同时(还没有打印完),别人刚好也在此刻使用打印机打印东西,如果不做任何处理的话,打印出来的东西肯定是错乱的。下面我们用程序模拟一下这个过程,线程一需要打印“ hello ”,线程二需要打印“ world ”,不加任何处理的话,打印出来的内容会错乱:
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
// 打印机
void printer(char *str)
{
while(*str!='\0')
{
putchar(*str);
fflush(stdout);
str++;
sleep(1);
}
printf("\n");
}
// 线程一
void *thread_fun_1(void *arg)
{
char *str = "hello";
printer(str); //打印
}
// 线程二
void *thread_fun_2(void *arg)
{
char *str = "world";
printer(str); //打印
}
int main(void)
{
pthread_t tid1, tid2;
// 创建 2 个线程
pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);
// 等待线程结束,回收其资源
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
return 0;
}
运行结果如下:
实际上,打印机是有做处理的,我在打印着的时候别人是不允许打印的,只有等我打印结束后别人才允许打印。这个过程有点类似于,把打印机放在一个房间里,给这个房间安把锁,这个锁默认是打开的。当 A 需要打印时,他先过来检查这把锁有没有锁着,没有的话就进去,同时上锁在房间里打印。而在这时,刚好 B 也需要打印,B 同样先检查锁,发现锁是锁住的,他就在门外等着。而当 A 打印结束后,他会开锁出来,这时候 B 才进去上锁打印。
而在线程里也有这么一把锁——互斥锁(mutex),互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问,互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。
互斥锁的操作流程如下:
1)在访问共享资源后临界区域前,对互斥锁进行加锁。
2)在访问完成后释放互斥锁导上的锁。
3)对互斥锁进行加锁后,任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞,直到锁被释放。
互斥锁的数据类型是: pthread_mutex_t。
互斥锁基本操作
以下函数需要的头文件:
#include <pthread.h>
1)初始化互斥锁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
功能:
初始化一个互斥锁。
参数:
mutex:互斥锁地址。类型是 pthread_mutex_t 。
attr:设置互斥量的属性,通常可采用默认属性,即可将 attr 设为 NULL。
可以使用宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 静态初始化互斥锁,比如:
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
这种方法等价于使用 NULL 指定的 attr 参数调用 pthread_mutex_init() 来完成动态初始化,不同之处在于 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏不进行错误检查。
返回值:
成功:0,成功申请的锁默认是打开的。
失败:非 0 错误码
2)上锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
功能:
对互斥锁上锁,若互斥锁已经上锁,则调用者一直阻塞,直到互斥锁解锁后再上锁。
参数:
mutex:互斥锁地址。
返回值:
成功:0
失败:非 0 错误码
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
调用该函数时,若互斥锁未加锁,则上锁,返回 0;若互斥锁已加锁,则函数直接返回失败,即 EBUSY。
3)解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);
功能:
对指定的互斥锁解锁。
参数:
mutex:互斥锁地址。
返回值:
成功:0
失败:非 0 错误码
4)销毁互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
功能:
销毁指定的一个互斥锁。互斥锁在使用完毕后,必须要对互斥锁进行销毁,以释放资源。
参数:
mutex:互斥锁地址。
返回值:
成功:0
失败:非 0 错误码
互斥锁应用实例
我们通过互斥锁完善上面的例子,示例代码如下:#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
pthread_mutex_t mutex; //互斥锁
// 打印机
void printer(char *str)
{
pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
while(*str!='\0')
{
putchar(*str);
fflush(stdout);
str++;
sleep(1);
}
printf("\n");
pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
}
// 线程一
void *thread_fun_1(void *arg)
{
char *str = "hello";
printer(str); //打印
}
// 线程二
void *thread_fun_2(void *arg)
{
char *str = "world";
printer(str); //打印
}
int main(void)
{
pthread_t tid1, tid2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //初始化互斥锁
// 创建 2 个线程
pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);
// 等待线程结束,回收其资源
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex); //销毁互斥锁
return 0;
}
运行结果如下:
应用实例二:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <pthread.h> #define SIZE 1000000 //全局变量 unsigned long val = 0; //初始化mutex锁 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *fun1(void *args) { unsigned long i = 0; printf("thread id: %lu args: %s\n", pthread_self(), (char*)args); //加锁 pthread_mutex_lock(&mutex); for (i = 0; i < SIZE; i++) val++; printf("thread 1 val = %lu\n", val); //解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); pthread_exit((void*)0x1); } void *fun2(void *args) { unsigned long i = 0; printf("thread id: %lu args: %s\n", pthread_self(), (char*)args); for (i = 0; i < SIZE; i++) { //加锁 pthread_mutex_lock(&mutex); val++; //解锁 pthread_mutex_unlock(&mutex); } printf("thread 2 val = %lu\n", val); pthread_exit((void*)0x2); } //对全局变量修改 没有加锁的情况 会出现数据不一致的问题 int main(void) { void *val = NULL; pthread_t tid[2]; //创建线程 pthread_create(&tid[0], NULL, fun1, "thread 1"); pthread_create(&tid[1], NULL, fun2, "thread 2"); //等待第一个线程 if (pthread_join(tid[0], &val) != 0) { printf("join 线程1失败....\n"); } printf("val = %#x\n", (unsigned long)val); //等待第二个线程 if (pthread_join(tid[1], &val) != 0) { printf("join 线程2失败....\n"); } printf("val = %#x\n", (unsigned long)val); if (pthread_mutex_destroy(&mutex) != 0) { printf("销毁信号量失败....\n"); } return 0; }运行结果如下:
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