C++中关于互斥量的全面认知

互斥量(保护对共享变量的访问)

1.概念

互斥（mutex）是防止同时访问共享资源的程序对象。

为避免线程更新共享变量时所出现问题，必须使用互斥量（ mutex 是 mutual exclusion 的缩写）来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。即就是使用互斥量来实现原子访问操作

2.状态

已锁定（ locked）和未锁定（ unlocked）。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将可能阻塞线程或者报错失败，具体取决于加锁时使用的方法

3.特点

一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者。只有所有者才能给互斥量解锁。因为所有权的关系，有时会使用术语获取（ acquire）和释放（ release）来替代加锁和解锁。

互斥量的分配

互斥量既可以像静态变量那样分配，也可以在运行时动态创建

1.静态分配

互斥量是属于 pthread_mutex_t 类型的变量

在使用之前必须对其初始化。

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2.动态分配

#include<pthread.h>

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

参数 mutex 指定函数执行初始化操作的目标互斥量。

参数 attr 是指向 pthread_mutexattr_t 类型对象的指针，该对象在函数调用之前已经过了初始化处理，用于定义互斥量的属性。若将 attr 参数置为 NULL，则该互斥量的各种属性会取默认值。

注：

初始化一个业已初始化的互斥量将导致未定义的行为
动态分配于堆中的互斥量。例如，动态创建针对某一结构的链表，表中每个结构都包含一个 pthread_mutex_t 类型的字段来存放互斥量，借以保护对该结构的访问。
互斥量是在栈中分配的自动变量。
初始化经由静态分配，且不使用默认属性的互斥量。

加锁和解锁互斥量

初始化之后，互斥量处于未锁定状态。函数 pthread_mutex_lock()可以锁定某一互斥量，而函数 pthread_mutex_unlock()则可以将一个互斥量解锁。

函数原型

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);

1.创建互斥锁

pthread_mutex_t mtx;

互斥锁的类型是 pthread_mutex_t ，所以定义一个变量就是创建了一个互斥锁：

2.初始化互斥锁

//第二个参数为 NULL，互斥锁的属性会设置为默认属性
pthread_mutex_init(&mtx, NULL);

3.获取互斥锁

在进行互斥操作的时候，应该先"拿到锁"再执行需要互斥的操作，否则可能会导致多个线程都需要访问的数据结果不一致。

4.阻塞调用

pthread_mutex_lock(&mtx);

5.非阻塞调用

如果锁被占用就不用，如果没被占用那就用，可以使用 pthread_mutex_trylock() 函数。用法和pthread_mutex_lock() 用法类似，不过当请求的锁正在被占用的时候，不会进入阻塞状态，而是立刻返回，并返回一个错误代码 EBUSY，意思是说，有其它线程正在使用这个锁。

int err = pthread_mutex_trylock(&mtx);
if(0 != err) {
    if(EBUSY == err) {
        //The mutex could not be acquired because it was already locked.
    }
}

6.超时调用

如果不想不断的调用 pthread_mutex_trylock() 来测试互斥锁是否可用，而是想阻塞调用，但是增加一个超时时间，用pthread_mutex_timedlock() 解决，其调用方式如下：

struct timespec abs_timeout;
abs_timeout.tv_sec = time(NULL) + 1;
abs_timeout.tv_nsec = 0;
int err = pthread_mutex_timedlock(&mtx, &abs_timeout);
if(0 != err) {
    if(ETIMEDOUT == err) {
        //The mutex could not be locked before the specified timeout expired.
    }
}

阻塞等待，但是只等待一秒钟，后如果还没拿到锁的话，那就返回，并返回一个错误代码 ETIMEDOUT，意思是超时了。

其中 timespec 定义在头文件 time.h 中，其定义如下

struct timespec
{
    __time_t tv_sec;        /* Seconds.  */
    long int tv_nsec;       /* Nanoseconds.  */
};

这个函数里面的时间，是绝对时间，所以这里用 time() 函数返回的时间增加了 1 秒

7.释放互斥锁

用完互斥锁，一定要记得释放，下一个想要获得这个锁的线程，只能去等。

释放互斥锁比较简单，使用 pthread_mutex_unlock() 即可：

pthread_mutex_unlock(&mtx);

8.销毁线程锁

pthread_mutex_destroy(&mtx)

一个被销毁的线程锁可以被 pthread_mutex_init() 再次初始化。对被销毁的线程锁进行其它操作，其结果是未定义的。

对一个处于已初始化但未锁定状态的线程锁进行销毁是安全的。尽量避免对一个处于锁定状态的线程锁进行销毁操作。

互斥量的死锁

当超过一个线程加锁同一组互斥量时，就有可能发生死锁。

例，每个线程都成功地锁住一个互斥量，接着试图对已为另一线程锁定的互斥量加锁。

两个线程将无限期等待

有两种解决方法

1.当多个线程对一组互斥量操作时，总是应该以相同顺序对该组互斥量进行锁定，如果两个线程总是先锁定 mutex1 再锁定 mutex2，死锁就不会出现

2.使用频率较低，就是“尝试一下，然后恢复”，在这种方案中，线程先使用函数pthread_mutex_lock()锁定第 1 个互斥量，然后使用函数pthread_mutex_trylock()来锁定其余互斥量。如果任一pthread_mutex_trylock()调用失败（返回 EBUSY），那么该线程将释放所有互斥量，也许经过一段时间间隔，从头再试

注：

对共享资源操作前一定要获得锁。
完成操作以后一定要释放锁。
尽量短时间地占用锁。
如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。
线程错误返回时应该释放它所获得的锁。

例子

保护fp指向文件中数的累加正常进行

static pthread_mutex_t mut=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thr_prime(void *p)
{
    FILE *fp;
    char linebuf[linesize];
    fp =fopen(fname,"r+");   //多个线程之间相撞拿到 同一个fp 开始覆盖写操作
    if(fp == NULL)  
    {
        perror("fopen");
        exit(-1);
    }
    //加锁
    pthread_mutex_lock(&mut);
    fgets(linebuf,linesize,fp);
    fseek(fp,0,SEEK_SET);
    fprintf(fp,"%d\n",atoi(linebuf)+1);
    //解锁
    pthread_mutex_unlock(&mut);
    fclose(fp);
    pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
    int err,i;
    pthread_t tid[thrnum];
    //main 线程 进行创建线程
    for(i=0 ; i<=thrnum ;i++)
    {
        err =pthread_create(tid + i ,NULL,thr_prime,NULL);
        if(err)
        {
            fprintf(stderr,"pthread_creat():%s\n",strerror(err));
            exit(1);
        }
    }
    //为线程收尸
    for(i =0 ; i<=thrnum ;i++)
    {
        pthread_join(tid[i],NULL);
    }
    pthread_mutex_destroy(&mut);
    exit(0);
}

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