【Linux系統編程】互斥鎖

00. 目錄

01. 互斥鎖引入

爲什麼需要互斥鎖？

在多任務操作系統中，同時運行的多個任務可能都需要使用同一種資源。這個過程有點類似於，公司部門裏，我在使用着打印機打印東西的同時（還沒有打印完），別人剛好也在此刻使用打印機打印東西，如果不做任何處理的話，打印出來的東西肯定是錯亂的。

下面我們用程序模擬一下這個過程，線程一需要打印“ hello ”，線程二需要打印“ world ”，不加任何處理的話，打印出來的內容會錯亂：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
 
// 打印機
void printer(char *str)
{
	while(*str!='\0')
	{
		putchar(*str);	
		fflush(stdout);
		str++;
		sleep(1);
	}
	printf("\n"); 
}
 
// 線程一
void *thread_fun_1(void *arg)
{
	char *str = "hello";
	printer(str); //打印
}
 
// 線程二
void *thread_fun_2(void *arg)
{
	char *str = "world";
	printer(str); //打印
}
 
int main(void)
{
	pthread_t tid1, tid2;
	
	// 創建 2 個線程
	pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
	pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);
 
	// 等待線程結束，回收其資源
	pthread_join(tid1, NULL);
	pthread_join(tid2, NULL); 
	
	return 0;
}

測試結果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ gcc 1.c -pthread 
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ ./a.out  
hwoelrlldo

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ 

實際上，打印機是有做處理的，我在打印着的時候別人是不允許打印的，只有等我打印結束後別人才允許打印。這個過程有點類似於，把打印機放在一個房間裏，給這個房間安把鎖，這個鎖默認是打開的。當 A 需要打印時，他先過來檢查這把鎖有沒有鎖着，沒有的話就進去，同時上鎖在房間裏打印。而在這時，剛好 B 也需要打印，B 同樣先檢查鎖，發現鎖是鎖住的，他就在門外等着。而當 A 打印結束後，他會開鎖出來，這時候 B 才進去上鎖打印。

而在線程裏也有這麼一把鎖——互斥鎖（mutex），互斥鎖是一種簡單的加鎖的方法來控制對共享資源的訪問，互斥鎖只有兩種狀態,即加鎖( lock )和解鎖( unlock )。

02. 互斥鎖的操作流程

1）在訪問共享資源後臨界區域前，對互斥鎖進行加鎖。

2）在訪問完成後釋放互斥鎖上的鎖。

3）對互斥鎖進行加鎖後，任何其他試圖再次對互斥鎖加鎖的線程將會被阻塞，直到鎖被釋放。

互斥鎖的數據類型是： pthread_mutex_t。

03. 互斥鎖相關函數

3.1 互斥鎖初始化

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
功能：
	初始化一個互斥鎖。
參數：
	mutex：互斥鎖地址。類型是 pthread_mutex_t 。
	attr：設置互斥量的屬性，通常可採用默認屬性，即可將 attr 設爲 NULL。
返回值：
	成功：0，成功申請的鎖默認是打開的。
	失敗：非 0 錯誤碼

可以使用宏 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 靜態初始化互斥鎖，比如：
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
這種方法等價於使用 NULL 指定的 attr 參數調用 pthread_mutex_init() 來完成動態初始化，不同之處在於 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏不進行錯誤檢查。

3.2 互斥鎖加鎖

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
功能：
	對互斥鎖上鎖，若互斥鎖已經上鎖，則調用者一直阻塞，直到互斥鎖解鎖後再上鎖。
參數：
	mutex：互斥鎖地址。
返回值：
	成功：0
	失敗：非 0 錯誤碼
    
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
調用該函數時，若互斥鎖未加鎖，則上鎖，返回 0；若互斥鎖已加鎖，則函數直接返回失敗，即 EBUSY。    

3.3 互斥鎖解鎖

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex);
功能：
	對指定的互斥鎖解鎖。
參數：
	mutex：互斥鎖地址。
返回值：
	成功：0
	失敗：非 0 錯誤碼

3.4 互斥鎖銷燬

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
功能：
	銷燬指定的一個互斥鎖。互斥鎖在使用完畢後，必須要對互斥鎖進行銷燬，以釋放資源。
參數：
	mutex：互斥鎖地址。
返回值：
	成功：0
	失敗：非 0 錯誤碼

04. 互斥鎖示例

示例代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
 
pthread_mutex_t mutex; //互斥鎖
 
// 打印機
void printer(char *str)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex); //上鎖
	while(*str!='\0')
	{
		putchar(*str);	
		fflush(stdout);
		str++;
		sleep(1);
	}
	printf("\n"); 
	pthread_mutex_unlock(&mutex); //解鎖
}
 
// 線程一
void *thread_fun_1(void *arg)
{
	char *str = "hello";
	printer(str); //打印
}
 
// 線程二
void *thread_fun_2(void *arg)
{
	char *str = "world";
	printer(str); //打印
}
 
int main(void)
{
	pthread_t tid1, tid2;
	
	pthread_mutex_init(&mutex, NULL); //初始化互斥鎖
	
	// 創建 2 個線程
	pthread_create(&tid1, NULL, thread_fun_1, NULL);
	pthread_create(&tid2, NULL, thread_fun_2, NULL);
 
	// 等待線程結束，回收其資源
	pthread_join(tid1, NULL);
	pthread_join(tid2, NULL); 
	
	pthread_mutex_destroy(&mutex); //銷燬互斥鎖
	
	return 0;
}

測試結果:

deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ gcc 1.c -pthread 
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ ./a.out  
hello
world
deng@itcast:/mnt/hgfs/LinuxHome/code.bak2$ 

05. 總結