Linux 线程互斥

目录

0.前言

1.相关概念

2.互斥量（mutex）

2.1 代码引入

2.2为什么需要互斥量

2.3互斥量的接口

2.3.1 初始化互斥量

2.3.2 销毁互斥量

2.3.3 互斥量加锁和解锁

2.4改写代码

 3.互斥量的封装

4.小结

（图像由AI生成） 

0.前言

在多线程编程中，线程之间的并发操作可能会导致共享资源的竞争问题，如数据不一致、状态紊乱等。为了保证程序的正确性和稳定性，必须引入线程同步机制，其中互斥量（mutex）是解决线程互斥的核心工具。本篇博客承接前文关于进程的讨论，深入介绍线程互斥的相关概念、实现方法以及代码实例，帮助理解如何在 Linux 环境下有效避免线程竞争问题。

1.相关概念

  • 临界资源：指多个线程需要共享访问的资源，例如全局变量、文件或数据库连接等。如果多个线程同时操作临界资源，可能会导致数据不一致或冲突。
  • 临界区：指访问临界资源的代码片段。为防止多个线程同时进入临界区，需要对其进行保护，确保同一时刻只有一个线程可以执行临界区代码。
  • 互斥：一种线程同步机制，用于确保多个线程对临界资源的访问是互斥的，即同一时间仅允许一个线程访问共享资源。互斥量（mutex）是实现互斥的常用工具。
  • 原子性：指某个操作不可被中断，要么完全执行完毕，要么完全不执行。在多线程环境下，原子性是实现线程安全的基本要求之一。

2.互斥量（mutex）

互斥量是一种线程同步机制，用于解决多线程并发访问共享资源时的冲突问题。在多线程编程中，互斥量通过对临界区的加锁和解锁，确保同一时刻只有一个线程可以访问共享资源，从而避免数据竞争。

2.1 代码引入

在大多数情况下，线程使用的数据是局部变量，变量的地址空间位于线程栈空间内，仅属于单个线程，其他线程无法访问。但在某些场景下，线程之间需要共享数据，这些变量称为共享变量，通过它们可以完成线程间的交互。

然而，当多个线程并发操作共享变量时，会导致数据不一致等问题。例如，一个典型的问题是多个线程争夺共享资源时的竞争。以下以“抢票”为例，展示未加锁的多线程争夺资源代码：

未加锁的多线程代码示例：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h> // usleep 函数

int ticket = 100; // 共享资源

void* sell_tickets(void* arg) {
    char* id = (char*)arg; // 将 void* 转为 char*
    while (1) {
        if (ticket > 0) { // 检查是否还有票
            usleep(1000); // 模拟售票的延迟
            printf("%s sells ticket: %d\n", id, ticket);
            ticket--; // 执行 -- 操作，存在数据竞争
        } else {
            break; // 没有票时退出
        }
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t t1, t2, t3, t4;

    // 创建四个线程，并显式转换字符串为 void*
    pthread_create(&t1, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 4");

    // 等待线程结束
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);

    return 0;
}

程序输出（部分）：

thread 2 sells ticket: 100
thread 1 sells ticket: 100
thread 3 sells ticket: 100
thread 4 sells ticket: 100
...
thread 2 sells ticket: 3
thread 3 sells ticket: 3
thread 4 sells ticket: 1
thread 2 sells ticket: 0
thread 1 sells ticket: -1
thread 3 sells ticket: -2

2.2为什么需要互斥量

在多线程编程中，当多个线程并发访问共享资源时，如果没有同步机制进行保护，就会导致数据竞争和资源冲突等问题。以下是未加锁情况下上面的代码出现的问题：

  1. 票号重复销售：
    多个线程同时读取共享变量 ticket 的值，导致同一票号被多个线程同时销售。例如：

    thread 2 sells ticket: 100
thread 1 sells ticket: 100
thread 3 sells ticket: 100

    这是因为 ticket 的读取和更新是分步骤完成的，线程在切换时导致了数据的不一致。

  2. 超卖现象：
    由于多个线程同时修改 ticket 的值，可能导致最终结果错误，甚至出现负值。例如：

    thread 1 sells ticket: -1
thread 3 sells ticket: -2

    这种现象表明线程在操作过程中缺乏有效的同步机制，无法确保共享变量的正确性。

  3. 数据竞争：
    ticket-- 是非原子操作，分为读取值、修改值和写回值三个步骤。在多线程环境下，这些步骤可能被其他线程的操作打断，导致多个线程同时更新变量的值，破坏数据一致性。

多线程编程中的共享资源竞争是导致数据不一致的主要原因。以抢票系统中的 --ticket 操作为例，尽管它看似简单，但实际上并非原子操作，而是由多条汇编指令组成的复杂过程。

--ticket 的汇编代码
通过 objdump 工具反汇编程序，我们可以看到 --ticket 的具体汇编指令：

152 40064b: 8b 05 e3 04 20 00    mov 0x2004e3(%rip),%eax   # 将共享变量加载到寄存器
153 400651: 83 e8 01             sub $0x1,%eax             # 更新寄存器中的值，执行 -1 操作
154 400654: 89 05 da 04 20 00    mov %eax,0x2004da(%rip)   # 将新值写回共享变量的内存地址

这三条指令的含义分别是：

  1. load： 将共享变量 ticket 的值从内存加载到寄存器。
  2. update： 在寄存器中执行 -1 操作，更新值。
  3. store： 将更新后的值写回共享变量的内存地址。

问题所在：
由于 --ticket 涉及三步操作，如果线程在任意步骤被中断，另一个线程可能会修改 ticket，导致数据竞争。例如：

  • 线程 A 从内存读取 ticket = 100，还未更新，线程 B 也读取了 ticket = 100。
  • 两个线程都执行了 ticket-- 操作，结果是 ticket = 99，实际减少了一张票而非两张。

这种数据不一致问题会引发票号重复销售和超卖现象，根本原因是 --ticket 不是原子操作。

如何解决这些问题？
为了解决共享资源的竞争问题，需要满足以下三点：

  1. 互斥行为： 当一个线程进入临界区执行代码时，其他线程必须被阻止进入临界区。
  2. 独占访问： 如果多个线程同时请求进入临界区，且临界区没有线程在执行，则仅允许一个线程进入。
  3. 非阻塞： 如果某线程不在临界区内执行，则不能阻止其他线程进入临界区。

这些条件的核心要求是一把锁，而 Linux 系统中提供的这把锁就是互斥量（mutex）。

互斥量的作用：
互斥量通过加锁（pthread_mutex_lock）和解锁（pthread_mutex_unlock），实现对临界区的独占访问：

  • 加锁： 线程在访问共享资源前需要获得锁，如果其他线程已经持有锁，则当前线程会阻塞。
  • 解锁： 线程在完成共享资源操作后释放锁，其他阻塞线程才可以继续执行。

通过互斥量，--ticket 的多条汇编指令可以被视为一个原子操作，从而避免数据竞争，确保程序的正确性和线程安全。

2.3互斥量的接口

在多线程编程中，互斥量（mutex）提供了一种机制来确保共享资源的安全访问。以下介绍互斥量的核心操作接口。

2.3.1 初始化互斥量

互斥量在使用前需要进行初始化，主要有两种方法：

方法1：静态分配

通过宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 初始化互斥量，适用于全局或静态互斥量：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

这种方式简单直接，适合在程序启动时确定的互斥量。

方法2：动态分配

通过函数 pthread_mutex_init 动态初始化互斥量，适用于动态创建的互斥量：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 动态初始化
  • 参数说明：
    • mutex：指向需要初始化的互斥量。
    • attr：互斥量属性，一般传 NULL 表示使用默认属性。

示例代码：

pthread_mutex_t mutex; pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 动态初始化

2.3.2 销毁互斥量

互斥量使用完成后，需通过 pthread_mutex_destroy 释放资源：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
  • 注意事项：
    1. 使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 初始化的互斥量不需要显式销毁。
    2. **不要销毁一个已经加锁的互斥量，**否则可能导致程序崩溃或行为异常。
    3. **确保销毁后的互斥量不再被使用，**避免线程尝试加锁销毁的互斥量。

示例代码：

pthread_mutex_destroy(&mutex);

2.3.3 互斥量加锁和解锁

加锁

使用 pthread_mutex_lock 对互斥量加锁：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
  • 行为：
    1. 如果互斥量处于未锁状态，调用线程会成功加锁并继续执行。
    2. 如果互斥量已被其他线程锁定，调用线程会阻塞，等待互斥量解锁。

解锁

使用 pthread_mutex_unlock 对互斥量解锁：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  • 解锁后，其他等待的线程将有机会获得锁。

返回值：

  • 成功返回 0。
  • 失败返回错误号（例如尝试解锁未加锁的互斥量）。

示例代码：

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 临界区代码
pthread_mutex_unlock(&mutex);

2.4改写代码

在 2.1 的示例代码中，由于 ticket-- 操作不是原子操作，导致出现数据竞争和不一致的问题。通过引入互斥量（mutex），可以确保对共享资源 ticket 的访问具有互斥性，从而解决上述问题。

以下是改写后的代码，使用互斥量实现线程安全：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h> // usleep 函数

int ticket = 100; // 共享资源
pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥量

void* sell_tickets(void* arg) {
    char* id = (char*)arg; // 将 void* 转为 char*
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁，保护共享资源
        if (ticket > 0) { // 检查是否还有票
            usleep(1000); // 模拟售票的延迟
            printf("%s sells ticket: %d\n", id, ticket);
            ticket--; // 执行 -- 操作，已被互斥量保护
        } else {
            pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁，退出循环前释放锁
            break;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁，允许其他线程访问共享资源
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥量

    pthread_t t1, t2, t3, t4;

    // 创建四个线程，并显式转换字符串为 void*
    pthread_create(&t1, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, sell_tickets, (void*)"thread 4");

    // 等待线程结束
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥量
    return 0;
}

 3.互斥量的封装

在实际开发中，直接操作互斥量可能会导致代码冗长且容易出错。通过对互斥量的封装，可以简化使用流程并提高代码的可维护性。以下通过 Lock.hpp 文件展示如何封装互斥量，并采用 RAII 风格实现自动化管理。

#pragma once
#include <pthread.h>

namespace LockModule {

// 对互斥量进行封装
class Mutex {
public:
    // 禁止拷贝构造和赋值
    Mutex(const Mutex &) = delete;
    const Mutex &operator=(const Mutex &) = delete;

    // 构造函数，初始化互斥量
    Mutex() {
        int n = pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);
        (void)n; // 忽略返回值，实际开发中可以添加错误检查
    }

    // 加锁
    void Lock() {
        int n = pthread_mutex_lock(&_mutex);
        (void)n;
    }

    // 解锁
    void Unlock() {
        int n = pthread_mutex_unlock(&_mutex);
        (void)n;
    }

    // 获取互斥量的原始指针
    pthread_mutex_t *GetMutexOriginal() {
        return &_mutex;
    }

    // 析构函数，销毁互斥量
    ~Mutex() {
        int n = pthread_mutex_destroy(&_mutex);
        (void)n;
    }

private:
    pthread_mutex_t _mutex; // 封装的互斥量
};

// RAII 风格的锁管理器
class LockGuard {
public:
    // 构造函数，自动加锁
    LockGuard(Mutex &mutex) : _mutex(mutex) {
        _mutex.Lock();
    }

    // 析构函数，自动解锁
    ~LockGuard() {
        _mutex.Unlock();
    }

private:
    Mutex &_mutex; // 引用封装的互斥量
};

}

封装的核心思想

  1. Mutex 类：

    • 封装了 pthread_mutex_t 的操作，包括初始化、加锁、解锁和销毁。
    • 禁止拷贝构造和赋值，避免多次操作同一个互斥量。
    • 提供获取原始互斥量指针的方法，以便在某些特殊场景中直接操作底层互斥量。

  2. LockGuard 类：

    • 采用 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）风格，通过构造函数加锁，析构函数解锁，实现自动化管理。
    • 避免手动解锁可能导致的遗漏问题。

4.小结

线程间的共享资源竞争是多线程编程中的核心问题，互斥量（mutex）提供了一种高效的解决方案。通过本篇博客，我们从互斥量的基础概念入手，详细介绍了其初始化、加锁解锁操作，以及如何通过封装实现更安全和高效的资源管理。通过互斥量，我们可以确保临界区操作的线程安全性，避免数据竞争和资源冲突，为构建健壮的多线程应用奠定基础。

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