Linux系统编程（六）线程同步机制

本文目录

前述：同步机制的引入及概念
一、线程的互斥锁
- 1. 定义
- 2. 互斥锁常用方法
- 3. 相关函数
- - （1）头文件
  - （2）创建互斥锁
  - （3）销毁互斥锁
  - （4）加锁
  - （5）解锁
- 4. 使用例程

前述：同步机制的引入及概念

为了更全面的学习，在学习本章之前，请查看《线程的创建与使用》这篇文章。
进程中的多线程之间使用的是共享的数据，那么如果多个线程同时操作同一个共享资源，那么岂不是很混乱了。为了解决这个问题，引入了线程间的同步机制，即每次对共享资源进行操作时，只能有一个线程操作，其他线程必须等待其操作完毕后再进行操作。
线程的同步机制是指在多线程编程中，用来协调线程之间的操作，以确保它们按预期顺序执行，避免竞态条件、死锁和其他并发问题。同步机制的主要目的是管理对共享资源的访问，确保数据一致性和程序的正确性。

序号	机制	描述
1	互斥锁	互斥锁的主要作用是同步，确保同一时刻只有一个线程能够进入临界区，从而避免竞态条件。例如，多个线程需要访问或修改同一个共享变量时，可以用互斥锁保护这个变量。
2	条件变量	条件变量用于线程等待某个条件成立，通常与互斥锁结合使用。
3	信号量/灯	信号量是一个计数器，用于控制对资源的访问，允许多个线程同时访问一定数量的资源。

一、线程的互斥锁

1. 定义

在 Posix Thread 中定义了一套专门用于线程互斥的 mutex 函数。mutex 是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的存取。这个互斥锁只有两种状态（上锁和解锁）。

问题：为什么需要对共享资源加锁？
答：因为多个线程共用进程的资源，要访问的是公共区间时（全局变量），当一个线程访问的时候，需要加上锁以防止另外的线程对它进行访问，以实现资源的独占。在一个时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程才能够对共享资源进行操作。若其他线程希望上锁一个已经上锁了的互斥锁，则该线程就会挂起，直到上锁的线程释放掉互斥锁为止。

注意：要使用互斥锁时，一定要避免死锁的出现！死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放资源，从而导致所有线程都无法继续执行。避免死锁是多线程编程中的一个重要问题。且不应该在信号处理函数中使用互斥锁。

2. 互斥锁常用方法

互斥锁类型： （ 1）快速锁(普通锁)，（2）嵌套锁（递归锁），（3）检错锁。这里我们使用最多的就是快速锁，即普通锁。

互斥锁有两种创建（初始化）方法：静态方式（使用宏）和动态方式（用函数创建）。我们常使用动态创建。

3. 相关函数

（1）头文件

#include <pthread.h>

（2）创建互斥锁

互斥锁需要在线程创建之前初始化好，以确保在任何线程尝试使用锁之前，锁已经准备就绪。这样做是为了防止竞争条件和潜在的未定义行为。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,  const pthread_mutexattr_t *mutexattr)
//pthread_mutex_t *mutex ：传入互斥锁句柄的地址。
//const pthread_mutexattr_t *mutexattr ：填NULL，表示该锁为普通锁。

（3）销毁互斥锁

销毁一个互斥锁即意味着释放它所占用的资源，且要求锁当前处于开放状态。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
//pthread_mutex_t *mutex ：传入互斥锁的句柄地址。

（4）加锁

对共享资源进行操作前，需要进行加锁操作。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
//pthread_mutex_t *mutex ：传入互斥锁的句柄地址。

（5）解锁

对共享资源操作完毕后，需要进行解锁操作，以便其他线程使用这个共享资源。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
//pthread_mutex_t *mutex ：传入互斥锁的句柄地址。

4. 使用例程

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h> 

pthread_mutex_t mutex;       //互斥锁句柄
int Sum_tick= 10000000;      //假如：总票数。（公共资源）利用互斥锁保护。

void *task(void *arg)
{    
	long index= (long)arg;    //用index接收arg的值，区别第几个线程。
	int *slef_tick =(int *)malloc(sizeof(int *));         
	*slef_tick =0;   //本窗口售出票数统计
	//避免死锁的出现，必须要有解锁动作
	while(1)
	{
		//如果该线程上锁，则其他线程需要等待解锁才能继续执行。
		pthread_mutex_lock(&mutex);         //上锁：对公共资源使用前
		if(Sum_tick > 0)                        //还有票 
		{   
			 Sum_tick--;
			 pthread_mutex_unlock(&mutex);  //解锁：对公共资源操作完后
			 (*slef_tick)++;
		} 
		else 
		{
			pthread_mutex_unlock(&mutex);    //解锁: 防止死锁出现，当tick < 0时也需要解锁。
			break;                           //下班
		}
	}
	printf("%ld号窗口今日售出%d张票。\n",index, *slef_tick);
	//退出线程并返回slef的数值
	pthread_exit((void *)slef_tick);
}


int main(int argc, char **argv)
{
	int ret;
	pthread_t thread[10];
	long i;
	int *thread_return;   
	int sum=0;             //sum记录所有子线程返回值的和。
	
	//在线程创建之前创建好互斥锁。  NULL为普通锁
	ret=pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
	if(ret <0)
	{
		perror("pthread_mutex_init error!\n");
		return -1;
	}
	
	//创建10个线程：
	for(i=0;i<10;i++)
	{
		ret=pthread_create(&thread[i], NULL, task, (void *)i);  //把i的值传给函数func1的形参
		if(ret!=0)
		{
			perror("pthread_create error!\n");
			return -1;
		}
	}
	
	//等待线程释放，并销毁线程资源
	for(i=0;i<10;i++)
	{
		pthread_join(thread[i], (void **)&thread_return);
		sum = sum+ (*thread_return);
	}
	
	printf("今日景点总售出%d张票。\n",sum);
	//销毁互斥锁
	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	return 0;
}