Linux系统：线程互斥

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线程互斥

讲解线程互斥前，先看到一个抢票案例：

class customer
{
public:int _ticket_num = 0;pthread_t _tid;string _name;
};int g_ticket = 10000;void* buyTicket(void* args)
{customer* cust = (customer*)args;while(true){if(g_ticket > 0){usleep(1000);cout << cust->_name << " get ticket: " << g_ticket << endl;g_ticket--;cust->_ticket_num++;}else{break;}}return nullptr;
}int main()
{vector<customer> custs(5);for(int i = 0; i < 5; i++){custs[i]._name= "customer-" + to_string(i + 1);pthread_create(&custs[i]._tid, nullptr, buyTicket, &custs[i]);}for(int i = 0; i < 5; i++){pthread_join(custs[i]._tid, nullptr);}for(int i = 0; i < 5; i++){cout << custs[i]._name << " get tickets: " << custs[i]._ticket_num << endl;}return 0;
}

这个案例比较复杂，我们的目标是：设定一个全局变量g_ticket，然后派出五个线程来模拟顾客，进行抢票，每次抢票的时候g_ticket--，直到g_ticket <= 0，也就是票被抢光了，就停止抢票。

首先我封装了一个类class customer：

class customer
{
public:int _ticket_num = 0;pthread_t _tid;string _name;
};

其代表一个顾客，本质来说是线程模拟的顾客，_ticket_num 表示该顾客抢到的票数，_tid表示这个线程的TID，_name则为该顾客的名字。

随后让线程去执行buyTicket函数：

void* buyTicket(void* args)
{customer* cust = (customer*)args;while(true){if(g_ticket > 0){usleep(1000);cout << cust->_name << " get ticket: " << g_ticket << endl;g_ticket--;cust->_ticket_num++;}else{break;}}return nullptr;
}

一开始线程就进入while循环，只要g_ticket > 0就抢票，让g_ticket--，cust->_ticket_num++;，表示总票数减少，自己的票数加一。再输出cust->_name << " get ticket: " << g_ticket，含义为：xxx 抢到了第 xxx 张票。

主函数中：

int main()
{vector<customer> custs(5);for(int i = 0; i < 5; i++){custs[i]._name= "customer-" + to_string(i + 1);pthread_create(&custs[i]._tid, nullptr, buyTicket, &custs[i]);}for(int i = 0; i < 5; i++){pthread_join(custs[i]._tid, nullptr);}for(int i = 0; i < 5; i++){cout << custs[i]._name << " get tickets: " << custs[i]._ticket_num << endl;}return 0;
}

一开始用vector创建了五个customer，第一个for循环将这些customer进行初始化，给他们命名，并创建线程。此时线程就已经开始进行抢票了，随后主线程第二个for循环等待这五个线程。最后一个for循环输出每个线程抢到的票的数目。

输出结果：

奇怪的事情发生了，我们只有10000张票，最后却抢出了10005张票！最后几个线程，抢到了不存在的0，-1，-2，-3号的票，为什么会多出五张票？

我简化一下模型：

如图所示，现在有两个线程customer-1和customer-2，它们共同争夺g_ticket，g_ticket = 1，也就是说只有一个人可以抢到票。它们都执行左侧的代码，只要g_ticket > 0，就g_ticket--减少一个票，然后cust->_ticket_num++，表示自己的票数增加。

现在假设线程customer-1先调度：

该线程先判断，发现g_ticket > 0，于是进入第一个if语句，进行g_ticket--。但是g_ticket--本质上是多条汇编语句，比如下面这样：

MOV  eax, [0x1000]  ; 读取 g_ticket 的值
DEC  eax            ; 减 1
MOV  [0x1000], eax  ; 将值写回 g_ticket

也许你看不懂这个指令，我简单讲解一下：第一行MOVE的作用，是把内存中g_ticket 的数据拷贝到CPU中，第二行是将g_ticket - 1，第三行是减法后的结果拷贝回内存中的g_ticket。

那么假设我们现在执行到汇编的第二条指令：

现在突然线程customer-1的时间片结束了，要结束调度当前线程，去调度customer-2了。请问当前内存中的g_ticket被修改了吗？不还没有，这是下一条汇编的作用，于是CPU保存当前线程customer-1的上下文，切换调度customer-2：

此时线程customer-2也通过if (g_ticket > 0)检测还有没有票，结果发现还有一张票，于是custome-2也去抢这张票，执行g_ticket--。

这下出问题了，刚刚我们的customer-1已经抢了这张票，但是还没来得及把g_ticket变成0，此时customer-2又进来抢了一次票。最后就会出现一张票被两个人抢到的问题！

也就是说，为什么最开始的案例中，会出现10005张票，就是因为最后一张票，被五个线程同时抢到了！当g_ticket已经被抢走时，由于没来得及g_ticket = 0，导致后来的线程以为还有票。

我先引入一部分概念，方便大家理解后续知识：

• 临界资源：以上案例中，g_ticket是共享资源，多个线程共享。我们把这种资源称为临界资源
• 临界区：访问临界资源的代码，叫做临界区。比如g_ticket--就是临界区代码，以为其访问了临界资源g_ticket
• 原子性：表示一个操作对外表现只有两种状态：还没开始和已经结束

我用刚才的案例帮助大家理解这个原子性的概念：我们说g_ticket--本质上会变成多条汇编语句，也就是说g_ticket--是有过程的，而不是一瞬间完成的。

这就导致在我还没有完成g_ticket--的时候，也就是在g_ticket--过程中，被其他线程打断了。导致其它线程收到错误的信息，抢到不存在的票。

如果说一个线程抢到票后，g_ticket--会立马执行完毕，下一个线程在访问这个g_ticket > 0的时候，一定是在别人已经g_ticket--完毕，而不是在g_ticket--过程中，就可以避免这个问题。这就要求访问g_ticket是原子性的，也就是说在别的线程眼中，根本就不存在g_ticket--的过程，要么你没有执行g_ticket--，要么已经执行完毕。

临界区代码只要保证是原子性的，就可以避免这样线程之间错误的抢占资源相同资源的问题

那么要如何保证临界区代码是原子性的呢？此时就需要线程互斥了！

线程互斥指的是在多线程环境中，多个线程访问同一个共享资源时，只允许一个线程访问，其他线程必须等待，直到当前线程访问完成才能继续访问。

线程互斥，是通过锁来实现的。

锁的规则如下：

1. 代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区时，不允许其它线程进入临界区
2. 如果多个线程都想执行临界区代码，并且当前临界区没有线程在执行代码，只允许一个线程进入临界区
3. 线程不能阻止其他线程进入临界区

简单来说就是：任何时候临界区都只能有一个线程执行！

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互斥锁 mutex

互斥锁是pthread库提供的，英文名为mutex(互斥)，需要头文件<pthread.h>，先讲解互斥锁的基本创建和销毁方法。

互斥锁的类型是pthread_mutex_t，分为全局互斥锁和局部互斥锁，它们的创建方式不同。

全局mutex：

想要创建一个全局的互斥锁很简单，直接定义即可：

pthread_mutex_t xxx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

这样就创建了一个名为xxx的变量，类型是pthread_mutex_t，即这个变量是一个互斥锁，全局的互斥锁必须用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER进行初始化！

另外，全局的互斥锁不需要手动销毁。

局部mutex：

局部的互斥锁是需要通过接口来初始化与销毁的，接口如下：

pthread_mutex_init：

pthread_mutex_init函数用于初始化一个互斥锁，函数原型如下：

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

参数：

• restrict mutex：类型为pthread_mutex_t *的指针，指向一个互斥锁变量，对其初始化
• restrict attr：用于设定该互斥锁的属性，一般不用，设为空指针即可

返回值：成功返回0；失败返回错误码

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pthread_mutex_destroy：

pthread_mutex_destroy函数用于销毁一个互斥锁，函数原型如下：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数：类型为pthread_mutex_t *的指针，指向一个互斥锁变量，销毁该锁

返回值：成功返回0；失败返回错误码

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创建好互斥锁后，就要使用这个锁，主要是两个操作：申请锁和释放锁。

三个函数的原型如下：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

• pthread_mutex_lock：用于申请锁，如果申请失败，就阻塞等待，直到申请到锁；如果申请成功，就执行临界区代码
• pthread_mutex_trylock：用于申请锁，如果申请失败，直接返回，而不是等待；如果申请成功，就执行临界区代码
• pthread_mutex_unlock：用于释放锁，表明自己已经访问完毕临界区，其他线程可以来访问了

这三个函数的参数都是pthread_mutex_t *mutex，即指向互斥锁变量的指针，表示要操作哪一个互斥锁。

接下来我们修改一下最初的抢票代码，给它加锁，保证抢票g_ticket--的原子性：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //全局互斥锁void *buyTicket(void *args)
{customer *cust = (customer *)args;while (true){pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁if (g_ticket > 0){usleep(1000);cout << cust->_name << " get ticket: " << g_ticket << endl;g_ticket--;pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁cust->_ticket_num++;}else{pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁break;}}return nullptr;
}

我在此使用的是全局的互斥锁，第一行pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;就是定义了一个全局的互斥锁，并对其初始化。

在访问临界区前，对mutex加锁，在此我在if (g_ticket > 0)前加锁，因为不仅仅是g_ticket--是临界区，if (g_ticket > 0)也是临界区，它们都访问了临界资源g_ticket。

在if的第一个分支中，当g_ticket--完毕，此时当前线程就不会再访问g_ticket了，于是离开临界区，并对mutex解锁。在第二个分支else中，线程马上要break出循环了，并且退出，此时也要解锁，不然别的线程永远处于阻塞状态了。

可以想象一下，当第一个线程被调度，它要进行抢票，现在先对mutex加锁，然后再去if中访问g_ticket。假如在某个访问临界资源的过程中，CPU调度了其它线程，此时第二个线程进入。第二个线程也想访问g_ticket，于是也对mutex加锁，但是由于锁已经被第一个线程申请走了，此时第二个线程pthread_mutex_lock就会失败，然后阻塞等待。

等到第一个线程再次被调度，访问完临界区后，对mutex解锁，此时锁又可以被申请了。于是线程二申请到锁，再去访问g_ticket。加锁可以保证，任何时候都只有一个线程访问临界区。当第二个线程访问临界区时，一定是其他线程访问完毕了临界区，或者其它线程还没有访问临界区。这就保证了临界区的原子性，从而维护线程的安全！

输出结果：

最后的结果中，2158 + 2026 + 1690 + 2018 + 2108 = 10000，不多不少。

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互斥锁原理

那么互斥锁是如何做到的呢？

互斥锁的汇编伪代码如下：

加锁lock：

moveb $0, %al
xchgb %al, mutex
if (al寄存器的内容 > 0){return 0;
}else挂起等待;
goto lock

接下来我讲解一下这个过程：

如图所示，现在有两个线程thread-1和thread-2，它们共同征用内存中的锁mutex。在CPU中有一个寄存器%al，用于存储和锁的值。

现在假设thread-1进行调度执行pthread_mutex_lock：

首先执行指令moveb $0, %al，你可以理解为，就是把%al寄存器内部的值变成0：

随后执行xchgb %al, mutex，该过程是让内存中的mutex与%al寄存器的值进行交换：

此时%al寄存器的值变成1，mutex的值变成0。随后执行：

if (al寄存器的内容 > 0){return 0;
}else挂起等待;

也就是说判断当前%al内部的值是0还是大于0，如果大于0那么说明争夺到了锁，此时函数pthread_mutex_lock返回0，表示加锁成功。否则执行else进行挂起等待。

这样一个线程就征用到了一把锁。

现在假设thread-1执行到第一条汇编语句后，%al的值还是0，thread-2调度了：

现在thread-1保存自己的硬件上下文，包括%al = 0在内，随后therad-2进入：

现在thread-2执行了两行汇编语句，成功把内存中的mutex与自己的%al交换，申请到了锁，此时thread-1再次调度，thread-2拷贝走自己的硬件上下文：

恢复硬件上下文后，thread-1的%al等于0，执行第二条语句后，%al和mutex依然是0，这表明锁已经别的线程拿走了，此时在执行if内部的内容，thread-1挂起等待。

可以看到，其实锁的本质，就是保证mutex变量中以及所有访问锁的线程的%al寄存器中，只会有一个非零值。只有拿到非零值的线程才有资格去访问临界资源。其它线程如果要再次申请锁，由于自己的%al和mutex都是0，就算交换后还是0，也申请不到锁。

并不是谁先调用ptherad_mutex_lock，谁就先抢到锁，而是谁先执行该函数内部的xchgb %al, mutex语句，把非零值放到自己的%al中，谁才抢到锁。

再简单看看解锁：

unlock：

moveb $1, mutex
唤醒等待mutex的线程;
return 0;

解锁就很简单了，moveb $1, mutex就是把自己的%al中的1还给mutex，然后唤醒所有等待该锁的线程，让它们再次争夺这把锁。最后return 0，也就是pthread_mutex_unlock函数返回0。

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常见的锁

Linux中不仅仅存在互斥锁这一种锁，还有非常多的锁，接下来我们看看其它的锁。

死锁

死锁：指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因互相申请其它进程不会释放的资源而处于的一种永久等待状态

我简单举一个例子：

现在有两个线程thread-1和thread-2，以及两把互斥锁mutex-1，mutex-2：

现在要求：一个线程想要访问临界资源，必须同时持有mutex-1和mutex-2。随后therad-1去申请了mutex-1，thread-2去申请了mutex-2：

thread-1再去申请mutex-2，结果mutex-2已经被therad-2占用了，thread-1陷入阻塞：

thread-2再去申请mutex-1，结果mutex-1已经被therad-1占用了，thread-2陷入阻塞：

现在therad-1等待therad-2解锁mutex-2，thread-2等待thread-1解锁mutex-1，双方互相等待。由于唤醒thread-2需要therad-1，唤醒therad-1又需要therad-2，此时陷入永远的等待状态，这就是死锁。

想要造成死锁，有四个必要条件：

1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用
2. 请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
3. 不剥夺条件：一个执行流获得资源后，其它执行流不能强行剥夺
4. 循环等待条件：若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系

以上是比较正式的说法，接下来我从线程角度简单翻译翻译：

1. 互斥条件：临界资源同时只能被一个线程访问=
2. 请求与保持条件：请求是指：申请对方的锁，保持是指：占着自己有的锁不放；
3. 不剥夺条件：一个线程如果申请锁失败，强行抢走他人的锁
4. 循环等待条件：以刚刚的死锁为例，therad-1等thread-2，而thread-2等待thread-1，形成一个头尾相接的循环

这四个条件都是必要条件，也就是说：

解决死锁，本质就是破坏一个或多个必要条件

主要有以下方式避免死锁：

1. 破坏互斥条件：不要用锁
2. 破坏请求与保持条件：如果发现没有申请到锁，立刻释放自己的全部锁
3. 破坏不剥夺条件：如果发现没有申请到锁，强行释放对方的锁，将其占为己有
4. 破坏循环等待条件：如果申请多把锁，所有线程都必须按照相同的顺序申请（最简单的方式）

另外的，还有一些死锁的相关算法：死锁检测算法和银行家算法，本博客就不做解释了。

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自旋锁 spinlock

我们先前讲的锁，其机制是这样的：

当线程申请一个锁失败，就会阻塞等待，当锁被使用完毕，唤醒所有等待该锁的线程。

其实锁还有一种不用阻塞等待的策略，而是反复检测的策略，就像这样：

当线程没有申请到锁，一段时间后再次检测这个锁有没有被释放，一直反复申请这个锁，这个过程叫做自旋。基于这个策略来申请的锁，叫做自旋锁。

Linux自带了自旋锁spinlock，类型为pthread_spinlock_t，接口如下：

创建与销毁：

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);

加锁与解锁：

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

你会发现，这和mutex几乎一摸一样，所以接口也就不讲解了。

不过我这里要强调一点，pthread_spin_lock并不是申请失败就返回，而是在pthread_spin_lock内部以自旋的方式申请锁，我们无需手动模拟自旋的过程。

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其它锁

• 悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。
• 乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。
• CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。
• 公平锁，非公平锁等

以上出现的所有概念，本博客都不讲解。

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