【Linux】線程互斥

在之前的部落格中，我講到線程的相關概念和線程的控制，在本節中我們聊一下線程互斥。

五個概念

• 臨界資源

  多線程執行流共享的資源叫做臨界資源。大量執行流同時通路時可能會導緻資料二義性的問題。

• 臨界區

  每個線程内部通路臨界資源區的代碼叫做臨界。我們可以通過控制代碼的讀寫規則保證臨界區的安全性。

• 互斥

  任何時刻有且僅有一個執行流進入臨界區的情況稱互斥。我們通常在通路臨界資源時會對它進行加鎖保護，保證資料的安全性。

• 同步

  在保證臨界資源安全的情況下讓多執行流按一定順序通路它稱同步。同步非同時，保證同步是為了協調多執行流的步調，避免饑餓問題。

• 原子性

  不會被任何排程機制打斷的操作，該操作隻有兩種狀态，要麼完成，要麼未開始。一般隻需要一條彙編代碼就可以完成解析。

多線程并發的問題

大部分情況下，線程使用的資料局部變量，變量的位址空間線上程棧空間内，這種情況下變量隻屬于單個線程，其他線程無法通路。但是也有時候，我們的變量需要在程序間共享，這樣的變量稱為共享資料可用于完成線程間的互動。

然而多線程并發的操作共享變量會帶來一些問題：

先看下面代碼

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

using namespace std;
int goal=0;
void* handle(void* arg)
{
	int count=10000000;
	while(count--)
		goal++;
	return (void*)1;
}
int main()
{
	pthread_t t1,t2;
	pthread_create(&t1,NULL,handle,NULL);
	pthread_create(&t2,NULL,handle,NULL);
	sleep(1);
	cout<<goal<<endl;
	pthread_join(t1,NULL);
	pthread_join(t2,NULL);
	return 0;
}
           

不看不知道，一看吓一跳！！本來我以為我寫了兩個線程分别對goal加10000000次，最後的結果應該是20000000，然而！！

通過運作結果，我發現運作了三次的結果都不相同，而且也沒有正确的結果。那麼問題出在哪裡呢？

原來是因為兩個線程是并發運作的，不同的線程在執行時有不同的寄存器，他們可能同時取走了某一時刻的goal，對它分别進行++後結果都加了一，但最後寫回記憶體時由原來的加2變成隻加1，導緻結果越錯越離譜。這裡的根本原因是++這個操作并不是原子性的。看下圖你應該就能明白了

來看我們在vs2013下一段簡單的反彙編代碼：從圖中你可以清楚的看到對于goal的++操作分解成了三步，是以這就是導緻上面問題的罪魁禍首

如果++是一個原子性的操作的話，那麼就不會出現上述的問題，是以現在要想解決上面的問題要麼将上述代碼實作原子性操作，要麼實作互斥的機制，Linux中确實提供了原子的++操作(atomic)但是這僅僅解決了目前問題，是以我們這裡重點介紹線程的互斥鎖實作互斥。

互斥量mutex

為了解決上面的問題，我們需要做到3點：

1. 代碼必須要有互斥行為：當代碼進入臨界區執行時，不允許其他線程進入該臨界區
2. 如果多個線程同時要執行臨界區的代碼，并且沒有線程在執行，那麼隻允許一個線程進入該臨界區
3. 如果線程不在臨界區中執行，那麼該線程不能阻止其他線程進入臨界區

要做到以上三點，本質上需要一把鎖，Linux下提供了一把鎖叫做互斥量：

接下來我介紹一下互斥量的接口。

互斥量的接口

初始化互斥量：有兩種方法

1. 靜态配置設定

   pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2. 動态配置設定

   int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t restrict mutex, const pthread_mutexattr_trestrict attr);

   //參數1為要初始化的互斥鎖，參數2一般設定為NULL表示使用預設屬性

銷毀互斥量：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

注意：使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化的互斥量不需要銷毀

不要銷毀一個被加鎖的互斥量

已經銷毀的互斥量不能再被線程加鎖

互斥量加鎖和解鎖：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

注意：調用pthread_lock時，可能會遇到以下情況：

互斥量處于未鎖狀态，該函數會将互斥量鎖定，同時傳回成功

發起函數調用時，其他線程已經鎖定互斥量，或者存在其他線程同時申請互斥量，但沒有競争到互斥量，那麼pthread_ lock調用會陷入阻塞(執行流被挂起)，等待互斥量解鎖

下面我們使用上面的函數，修改之前的代碼為線程安全的：

這時如果目前沒有線程在臨界區中，那麼線程一通路臨界資源的時候會先進行加鎖處理，當線程二要通路臨界資源時發現資源被鎖，是以OS将線程二設定為非r狀态并将其加入到阻塞隊列中等待線程一釋放鎖資源。這樣就可以保證線程在對臨界區通路時任一時刻隻有一個線程，也就是說我們現在可以認為我們的程式++是原子的。

運作結果如下：

互斥量實作的原理

互斥鎖的實作原理實際上非常的簡單，我之前說到過，當彙編是一句指令時就可以認為是原子的，是以為了實作鎖的互斥操作，大多數體系結構對于互斥鎖的實作使用了swap或者exchange指令，該指令的作用是把寄存器和單中繼資料交換，因為就算是多線程，總線周期也有先後時間，是以利用此指令總能保證同一個時間隻有一個線程進入臨界區。

現在我們來看看如何使用swap或者exchange指令實作互斥鎖原理，來看下面的一段僞代碼：可以看到鎖資源最開始拿到的值為1，然後使用swap或exchange指令将寄存器中的值和鎖擁有的值交換，如果寄存器中現在值為1，那麼表示資源申請成功，如果寄存器中值為0，說明鎖資源中的1已經被其他線程交換走了，是以目前程序也就需要進入等待隊列。

注意： 加鎖操作要求原子性，解鎖操作無要求。

線程安全

線程安全：多個線程并發處理同一段代碼時，不會出現不同的結果。常見的對全局變量或者靜态變量進行操作并且沒有鎖的保護下，會出現不同的結果。

重入：同一函數被不同的執行流調用，目前執行流未執行完畢就有其他執行流再次進入，稱這種現象為重入。一個函數在重入情況下，運作結果不會出現任何問題，稱為可重入函數，否則稱為不可重入函數。

常見線程不安全的情況：

1. 不保護共享變量的函數
2. 函數的狀态随着被調用，函數發生變化的函數
3. 傳回指向靜态變量指針的函數
4. 調用線程不安全函數的函數

常見線程安全的情況：

1. 每個線程對于全局變量或者靜态變量隻有讀取的權限，而沒有寫入的權限
2. 類或者接口對于線程來說都是原子操作
3. 多個線程之間的切換不會導緻該接口的執行結果存在二義性

可重入與線程安全

• 可重入函數一定是線程安全的，線程安全的函數不一定可重入
• 不可重入函數不能由多個線程使用過，否則有線程安全問題
• 若一個函數中有全局變量，則這個函數既不是線程安全也不是可重入的