Unix环境高级编程-学习-07-多线程之互斥锁

目录

 

一、自由抒发

二、函数介绍

 1、pthread_mutex_init

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 2、pthread_mutex_destroy

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 3、pthread_mutexattr_init

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 4、pthread_mutexattr_destroy

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 5、pthread_mutexattr_getpshared

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 6、pthread_mutexattr_setpshared

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 7、pthread_mutexattr_gettype

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 8、pthread_mutexattr_settype

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

  9、pthread_mutexattr_getrobust

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

  10、pthread_mutexattr_setrobust

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

  11、pthread_mutex_consistent

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 12、pthread_mutex_lock

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

 13、pthread_mutex_unlock

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

  14、pthread_mutex_trylock

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

  15、pthread_mutex_timedlock

（1）声明

（2）作用

（3）参数

（4）返回值

（5）注意点

（6）宏

三、如何避免死锁

1、重复加锁

2、互持锁

四、测试与练习

1、部分demo源码

2、编译

3、运行

 

一、自由抒发

多线程编程时，我们可能需要对一个共享资源进行访问，如果资源是只读的，那便不存在不一致的问题，但共享访问的资源是可读可写的，例如想实现一个生产者消费者模型，那就需要提供一种同步机制，来保障各个线程每次拿到的数据是正确的。最基本的同步方式有：互斥执行、条件同步、栅栏同步。这三种应该对着不同的场景：

名称描述
互斥执行两个线程顺序的访问共享资源。
条件同步线程必须等待某个事件发生，才能去访问共享资源。
栅栏同步控制线程执行过程中的汇合。

二、函数介绍

 1、pthread_mutex_init

（1）声明

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

（2）作用

初始化互斥锁。

（3）参数

参数名描述
mutex需要初始化的互斥锁变量。
attr互斥锁的属性。NULL的话，互斥锁会被初始化为系统默认属性。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

一个互斥变量只能被pthread_mutex_init函数初始化一次，如果初始化多次，有的系统会提示错误，但Linux系统会正常运行，需多注意。

（6）宏

无

 2、pthread_mutex_destroy

（1）声明

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

（2）作用

销毁互斥锁。

（3）参数

参数名描述
mutex需要销毁的互斥锁变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

无

 3、pthread_mutexattr_init

（1）声明

int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

（2）作用

初始化互斥锁属性。

（3）参数

参数名描述
attr需要初始化的互斥锁属性变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

无

 4、pthread_mutexattr_destroy

（1）声明

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);

（2）作用

销毁互斥锁属性。

（3）参数

参数名描述
attr需要销毁的互斥锁属性变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

无

 5、pthread_mutexattr_getpshared

（1）声明

int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *restrict attr, int *restrict pshared);

（2）作用

获取互斥变量进程共享属性值。

（3）参数

参数名描述
attr需要获取的互斥锁属性变量。
pshared获取到的互斥变量进程共享属性值。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

见pthread_mutexattr_init函数的相关宏。

 6、pthread_mutexattr_setpshared

（1）声明

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

（2）作用

设置互斥变量进程共享属性值。

（3）参数

参数名描述
attr需要设置的互斥锁属性变量。
pshared设置的互斥变量进程共享属性值。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

互斥变量进程共享属性值
宏描述
PTHREAD_PROCESS_PRIVATE只有同一个进程中的线程使用，默认值。
PTHREAD_PROCESS_SHARED可以多个进程的线程使用。

 7、pthread_mutexattr_gettype

（1）声明

int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr, int *restrict type);

（2）作用

获取互斥变量类型属性值。

（3）参数

参数名描述
attr需要获取的互斥锁属性变量。
type获取到的互斥变量类型属性值。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

见pthread_mutexattr_init函数的相关宏。

 8、pthread_mutexattr_settype

（1）声明

int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);

（2）作用

设置互斥变量类型属性值。

（3）参数

参数名描述
attr需要设置的互斥锁属性变量。
type设置的互斥变量类型属性值。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

互斥变量类型属性值
宏描述
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT默认类型，标准规定可以是以下任意类型，也可以是完全不同的类型。Linux 3.2.0映射为PTHREAD_MUTEX_NORMAL，FreeBSD 8.0映射为PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK。
PTHREAD_MUTEX_NORMAL基本类型，无内建的特定错误和死锁检测，但也是最快的一种。
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE递归类型，允许同一个线程对其解锁之前进行多次加锁，为了释放此变量，需对其解锁相同次数。解锁和加锁次数不同的情况下，不会释放锁。
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK提供错误检测功能。效率上比PTHREAD_MUTEX_NORMAL低很多，主要用于调试代码。

 

互斥量类型行为
互斥量类型锁拥有者没有解锁时重复加锁锁未持有者解锁解锁状态重复解锁
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT未知未知未知
PTHREAD_MUTEX_NORMAL死锁未知未知
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE允许报错报错
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK报错报错报错

  9、pthread_mutexattr_getrobust

（1）声明

int pthread_mutexattr_getrobust(const pthread_mutexattr_t *__attr, int *__robustness)
;

（2）作用

获取互斥变量健壮属性值。

（3）参数

参数名描述
__attr需要获取的互斥锁属性变量。
__robustness获取到的互斥变量健壮属性值。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

见pthread_mutexattr_init函数的相关宏。

  10、pthread_mutexattr_setrobust

（1）声明

int pthread_mutexattr_setrobust(pthread_mutexattr_t *__attr, int __robustness)
;

（2）作用

设置互斥变量健壮属性值。

（3）参数

参数名描述
__attr需要设置的互斥锁属性变量。
__robustness设置的互斥变量健壮属性值。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

互斥变量健壮属性值
宏描述
PTHREAD_MUTEX_STALLED持有互斥锁的进程终止时不需要采取特别的动作，等待互斥锁解锁的程序会被卡住，默认值。
PTHREAD_MUTEX_ROBUST这个用于处理这样的场景，两个进程都尝试获取互斥锁，第一个进程获取到了锁，在其还没有解锁之前，异常退出了，第二个进程如果使用PTHREAD_MUTEX_STALLED会卡住，而使用PTHREAD_MUTEX_ROBUST，第二进程的pthread_mutex_lock函数会返回EOWNERDEAD，我们可以根据其返回值来恢复互斥锁。

  11、pthread_mutex_consistent

（1）声明

int pthread_mutex_consistent(pthread_mutex_t *__mutex);

（2）作用

将健壮性互斥锁保护的状态标记为一致。

这个函数需要结合pthread_mutexattr_setrobust一起使用。

这个用于处理这样的场景，两个进程都尝试获取互斥锁，第一个进程获取到了锁，在其还没有解锁之前，异常退出了，第二个进程如果使用PTHREAD_MUTEX_STALLED会卡住，而使用PTHREAD_MUTEX_ROBUST。第二进程的pthread_mutex_lock函数会返回EOWNERDEAD，一般来说这个锁不是本进程或本线程上的锁，是不能进行解锁的，调用pthread_mutex_consistent之后，就可以进行解锁，解决了如何用Xsi Ipc共享内存加多线程互斥锁实现进程间的消费者生产者模型的问题。后面实现了这种组合用法，和大家分享一下。

（3）参数

参数名描述
__mutex需要设置的互斥锁属性变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

无

（6）宏

见pthread_mutexattr_init函数的相关宏。

 12、pthread_mutex_lock

（1）声明

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

（2）作用

对互斥变量进行加锁。

（3）参数

参数名描述
mutex需要加锁的互斥变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

如果是互斥锁是PTHREAD_MUTEX_NORMAL类型，则该函数不会进行死锁检测，重复进行加锁，会导致死锁。

（6）宏

无

 13、pthread_mutex_unlock

（1）声明

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

（2）作用

对互斥变量进行解锁。

（3）参数

参数名描述
mutex需要解锁的互斥变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

如果是互斥锁是PTHREAD_MUTEX_NORMAL类型，则该函数不会进行死锁检测，重复进行加锁，会导致死锁。

（6）宏

无

  14、pthread_mutex_trylock

（1）声明

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *__mutex);

（2）作用

对互斥变量尝试进行加锁。

（3）参数

参数名描述
mutex需要加锁的互斥变量。

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

如果不能立马拿到互斥锁，会返回EBUSY宏。与pthread_mutex_lock不同，不会一直阻塞在那里。

（6）宏

无

  15、pthread_mutex_timedlock

（1）声明

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *__restrict__ __mutex, const struct timespec *__restrict__ __abstime);

（2）作用

对互斥变量进行加锁,在指定时间内未拿到锁返回特定宏。

（3）参数

参数名描述
mutex需要加锁的互斥变量。
__abstime指定时间内拿到锁。

 

（4）返回值

名称描述
成功返回0。
失败返回错误码。

（5）注意点

对互斥变量进行加锁,在指定时间内未拿到锁会返回ETIMEDOUT。

（6）宏

无

三、如何避免死锁

1、重复加锁

同一个线程对一个互斥量加锁两次，那么它自身便会陷入死锁状态，如果互斥锁类型属性设置的是PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK便会报错。

2、互持锁

a和b两个线程，1和2两把互斥锁，a拿锁的顺序是1、2，b拿锁的顺序是2、1。就会导致死锁，如果它们拿锁的顺序是一致的，就可以避免这种情况的发生。

四、测试与练习

1、部分demo源码

三个线程对全局变量进行累加，和为18，表示测试正常。

我这边只是对于线程、线程属性、互斥锁、互斥锁属性做了简单封装，方便使用，如果大家感兴趣的话，可以在留言，我后面找一章分享出来。

#include "MyThread.h"#define THRD_ARRAY_LEN 3
#define SUM_VAL        (18 / THRD_ARRAY_LEN)int GlobalCnt = 0;void* TestFunc(void* Arg)
{int i;OneThrdMutexSt *Mutex = (OneThrdMutexSt *)Arg;for ( i = 0; i < SUM_VAL; i++){if (THRD_MUTEX_TIMED_LOCK_F(Mutex) == SUCCESS_FLAG){GlobalCnt++;THRD_MUTEX_UNLOCK_F(Mutex);}        }THRD_EXIT(NORMAL_FLAG);
}Status main()
{OneThrdMutexSt  *Mutex         = NULL;OneThrdSt       **ThrdArray    = (OneThrdSt **)MyMalloc(sizeof(OneThrdSt *) * THRD_ARRAY_LEN);int             i;void            *ThrdExitState = NULL;OneThrdMutexCreate(&Mutex,PTHREAD_PROCESS_PRIVATE,PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK,PTHREAD_MUTEX_ROBUST,1,0);for ( i = 0; i < THRD_ARRAY_LEN; i++){OneThrdCreate(&(ThrdArray[i]), PTHREAD_CREATE_JOINABLE,PTHREAD_STACK_MIN, ONE_PAGE_MEM_SIZE,TestFunc, Mutex);}for ( i = 0; i < THRD_ARRAY_LEN; i++){ThrdWait(ThrdArray[i]->ThreadId, &ThrdExitState);LogFormat(Debug,"ThrdExitState      : %ld.\n",(long)ThrdExitState);OneThrdFree(&(ThrdArray[i]));}OneThrdMutexFree(&Mutex);free(ThrdArray);ThrdArray = NULL;LogFormat(Debug,"GlobalCnt          : %d.\n",GlobalCnt);return SUCCESS_FLAG;
}

2、编译

[gbase@czg2 Pthread]$ make clean
rm -rf Test
[gbase@czg2 Pthread]$ make
gcc -Wall -Wextra -O3 -std=gnu11  Test.c -o Test -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/ -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/Log/ -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/Pthread/  -I /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/SqQueue/ -L /opt/Developer/ComputerLanguageStudy/C/DataStructureTestSrc/PublicFunction/Make/Libs/ -L /usr/lib64/ -l PublicFunction -l Log -l MyThread -l SqQueue

3、运行

[gbase@czg2 Pthread]$ perf stat -e page-faults ./Test 
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdMutexAttrInit  : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-MutexAttrSetShrd   : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-MutexAttrSetType   : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-MutexAttrSetRobust : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdMutexInit      : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-MutexAttrGetShrd   : OK, SharedVal   : PTHREAD_PROCESS_PRIVATE.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-MutexAttrGetType   : OK, Type        : PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-MutexAttrGetRobust : OK, Robust      : PTHREAD_MUTEX_ROBUST.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdMutexAttrDstry : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-OneThrdMutexCreate : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdAttrInit       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetDetachState     : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetStackSize       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetGuardSize       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdCreate         : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetDetachState     : OK, DetachState : PTHREAD_CREATE_JOINABLE.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetStackSize       : OK, StackSize   : 16384.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetGuardSize       : OK, GuardSize   : 4096.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdAttrDestroy    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-OneThrdCreate      : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdAttrInit       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetDetachState     : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetStackSize       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetGuardSize       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexTimedLock : OK. Sec : 1, NanoSec : 0
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexUnLock    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexTimedLock : OK. Sec : 1, NanoSec : 0
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexUnLock    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexTimedLock : OK. Sec : 1, NanoSec : 0
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexUnLock    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexTimedLock : OK. Sec : 1, NanoSec : 0
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexUnLock    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexTimedLock : OK. Sec : 1, NanoSec : 0
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexUnLock    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexTimedLock : OK. Sec : 1, NanoSec : 0
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559549184]-[Debug]-ThrdMutexUnLock    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdCreate         : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetDetachState     : OK, DetachState : PTHREAD_CREATE_JOINABLE.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetStackSize       : OK, StackSize   : 16384.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetGuardSize       : OK, GuardSize   : 4096.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdAttrDestroy    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-OneThrdCreate      : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdAttrInit       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetDetachState     : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetStackSize       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-SetGuardSize       : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdCreate         : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetDetachState     : OK, DetachState : PTHREAD_CREATE_JOINABLE.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetStackSize       : OK, StackSize   : 16384.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-GetGuardSize       : OK, GuardSize   : 4096.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdAttrDestroy    : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-OneThrdCreate      : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdWait           : OK.
2024-03-21 17:48:57-P[75602]-T[140670559557440]-[Debug]-ThrdExitState      : 2.
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