LINUX系统编程：多线程互斥

目录

1.铺垫

2.线程锁接口的认识

静态锁分配

动态锁的分配

互斥量的销毁

互斥量加锁和解锁

3.加锁版抢票

4.互斥的底层实现

1.铺垫

先提一个小场景，有1000张票，现在有4个进程，这四个进程疯狂的去抢这1000张票，看看会发生什么呢？

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include "thread.hpp"


class ticket
{
public:
static int tickets;//总共的票数
ticket(std::string &name)
:_name(name)
{}

std::string &name()
{
    return _name;
}
   int _count = 0;//抢到多少票
   std::string _name;//线程的名字
};

int ticket::tickets = 1000;

void handler(ticket *t)
{
    while(true)
    {
        if(t->tickets > 0)
        {
        usleep(10000);
        std::cout<< t->name()<<"tickets-garbbing ticket:"<<t->tickets<<std::endl;
        t->tickets--;
        t->_count++;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

using namespace mythread;//自己封装的线程库
int count = 4;
int main()
{
    std::vector<thread<ticket*>> threads;
    // 创建一批线程
    std::vector<ticket*> data;
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
       
        std::string name = "thread" + std::to_string(i);
        ticket *t = new ticket(name);
        data.push_back(t);
        threads.emplace_back(handler, t, name);
    }

    //启动一批线程
    for(auto &t : threads)
    {
        t.start();
    }

    //等待一批线程
    for(auto &t : threads)
    {
        std::cout <<t.name() <<" wait sucess "<<std::endl;
        t.join();
    }

    //查看结果
    for(auto p : data)
    {
        std::cout << p->_name<<" get tickets "<<p->_count<<std::endl;
         sleep(1);
    }

    return 0;
}


我们发现这四个线程竟然把票数抢到负数了，代码中已经判断if(t->tickets > 0)为什么票数还会减为0呢？

假设当前tickets只剩下1时。

thread0进行判断，thread0发现票数是大于0的，他就会进入循环，但是这个时候thread0的时间片到了，thread0进入等待队列。

thread1开始执行，thread1进行判断，thread1发现票数也是大于0的，进入循环，这个时候hread1的时间片到了，thread1进入等待队列。

thread2和thread3同样。

当cpu再次调度到thread0的时候，thread0对thickets--, thickets  = 0.

调度到thread1的时候，thread1对thickets--，tickets = -1.

thread2和thread3同样。

这也就解释了，为什票会抢到负数，究其原因就是我们抢票+判断的操作不是原子的，所以我们要通过互斥锁把这两个操作编程"原子"的，这个原子是在线程看来是原子的，不是真正意义上的原子。

也可以理解为把线程并行抢票，变成串行抢票，因为锁只有一把，一次只能有一个线程抢票。

2.线程锁接口的认识

线程锁有两种分配方法，静态全局锁和局部锁

静态锁分配

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

动态锁的分配

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

mutex:是要初始化的互斥量。

attr: nullptr。

互斥量的销毁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

注意：1.使用PTHREAT_MUTEX_INITIALIZER初始化的静态锁不用销毁。

           2.互斥量加锁了，就不要销毁了。

           3.销毁的互斥量，就不要在加锁了。

互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值 : 成功返回 0, 失败返回错误码。

注意：lock的时候会有两种情况，一种是lock成功返回0。

          另一种是互斥量已经被lock，这时候该线程会阻塞等待。

3.加锁版抢票

静态锁板

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include "thread.hpp"

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 定义一个全局锁

class ticket
{
public:
    static int tickets; // 总共的票数
    ticket(std::string &name)
        : _name(name)
    {
    }

    std::string &name()
    {
        return _name;
    }
    int _count = 0;    // 抢到多少票
    std::string _name; // 线程的名字
};

int ticket::tickets = 1000;

void handler(ticket *t)
{
    // pthread_mutex_lock(&mutex);不能在这里上锁，在这里上锁，一个线程就把票抢完了
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (t->tickets > 0)
        {
            usleep(10000);
            std::cout << t->name() << "tickets-garbbing ticket:" << t->tickets << std::endl;
            t->tickets--;
            t->_count++;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
    }
}

using namespace mythread; // 自己封装的线程库
int count = 4;
int main()
{
    std::vector<thread<ticket *>> threads;
    // 创建一批线程
    std::vector<ticket *> data;
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {

        std::string name = "thread" + std::to_string(i);
        ticket *t = new ticket(name);
        data.push_back(t);
        threads.emplace_back(handler, t, name);
    }

    // 启动一批线程
    for (auto &t : threads)
    {
        t.start();
    }

    // 等待一批线程
    for (auto &t : threads)
    {
        sleep(1);
        std::cout << t.name() << " wait sucess " << std::endl;
        t.join();
    }

    // 查看结果
    for (auto p : data)
    {
        std::cout << p->_name << " get tickets " << p->_count << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

动态锁板

在主函数定义一个局部锁

然后在ticket类中，增加一个互斥量，这个互斥量是要加引用的，为了所有的线程都能看见同一个锁。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <unistd.h>
#include <vector>
#include "thread.hpp"


class ticket
{
public:
    static int tickets; // 总共的票数
    ticket(std::string &name, pthread_mutex_t &mutex)
        : _name(name), _mutex(mutex)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex, nullptr);
    }

    std::string &name()
    {
        return _name;
    }
    int _count = 0;    // 抢到多少票
    std::string _name; // 线程的名字
    pthread_mutex_t &_mutex;//让所有的线程看到同一个锁
};

int ticket::tickets = 1000;

void handler(ticket *t)
{
    // pthread_mutex_lock(&mutex);不能在这里上锁，在这里上锁，一个线程就把票抢完了
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&t->_mutex);
        if (t->tickets > 0)
        {
            usleep(10000);
            std::cout << t->name() << "tickets-garbbing ticket:" << t->tickets << std::endl;
            t->tickets--;
            t->_count++;
            pthread_mutex_unlock(&t->_mutex);
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&t->_mutex);
            break;
        }
    }
}

using namespace mythread; // 自己封装的线程库
int count = 4;
int main()
{
    std::vector<thread<ticket *>> threads;
    // 创建一批线程
    pthread_mutex_t mutex;
    std::vector<ticket *> data;
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        std::string name = "thread" + std::to_string(i);
        ticket *t = new ticket(name, mutex);
        data.push_back(t);
        threads.emplace_back(handler, t, name);
    }

    // 启动一批线程
    for (auto &t : threads)
    {
        t.start();
    }

    // 等待一批线程
    for (auto &t : threads)
    {
        sleep(1);
        t.join();
        std::cout << t.name() << " wait sucess " << std::endl;

    }

    // 查看结果
    for (auto p : data)
    {
        std::cout << p->_name << " get tickets " << p->_count << std::endl;
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

运行结果

票是不会抢到负数了，但是出现了个问题。

为什么有的线程一个票也没抢到？

这个是因为不同的线程竞争能力不同，竞争能力强的就可以一直抢到锁，而竞争能力不强的就只能等待。

这个需要是用条件变量解决，下次介绍。

4.互斥的底层实现

互斥的底层是依赖swap 和exchange这两条指令的，这两条指令是原子的。

正常交换两个变量都需要，定义一个临时变量。

但是swap 和exchange这两条指令不用，可以直接交换，cpu寄存和内存的内容进行交换。

将lock和unlock的过程转化为伪代码（粗略只为了解原理）。

假设内存中存在一个mutex锁，mutex = 1时是解锁状态，mutex = 0是上锁状态 

我们发现1只有一个，哪个线程拿到1，哪个线程能继续执行代码，否则就要挂起等待。

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