Unix C语言 POSIX 互斥锁线程同步

た入场券 2022-10-22 07:39 220阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  模拟并发冲突
         *   *  出现该问题的原因
         *  POSIX的互斥锁

由于线程的并发性，导致多个线程同时对同一个全局变量进行操作时，会出现数据不一致的情况。  
所以需要在线程中对全局变量的操作上互斥锁，来确保该操作同一时刻只能被一个线程进行，从而确保了数据安全。

### 模拟并发冲突 ###

先不着急看互斥锁，先看下互斥锁可以解决什么问题。  
下面的代码有个int型的num全局变量，开启多个线程同时对该num进行+1的动作，每个线程+1执行1000000次，所有线程执行完毕后，num的值应该等于`线程数*1000000`。但由于并发执行，结果是小于`线程数*1000000`的。  
可以自行跑代码。  
注意编译需要链接pthread库：`gcc ... -lpthread`

#include <pthread.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    int num = 0; //全局变量
    
    /** * 函数执行体。类似java中的Thread#run函数。 * 当函数体执行完毕，则线程结束。 * @param arg 创建线程时传入的参数。 * @return 线程返回的结果，可以被创建该线程的父线程通过pthread_join获取。 */
    void *thread_proc(void *arg) { 
        for (int i = 0; i < 1000000; ++i) { 
            num++;
        }
        return NULL;
    }
    
    
    int main(void) { 
        int tcount = 3; //线程数
        pthread_t tids[tcount];
        for (long long i = 1; i <= tcount; ++i) { //创建多个线程
            int errno = pthread_create(&tids[i - 1], NULL, thread_proc, (void *) i); //创建线程
            if (errno) {  //当线程创建失败，返回的errno非0
                fprintf(stderr, "pthread_create:%s\n", strerror(errno)); //打印异常信息
                return -1;
            }
        }
        for (int i = 0; i < tcount; ++i) { 
            pthread_t tid = tids[i];
            pthread_join(tid, NULL);
            printf("线程%lld结束。\n", (long long) tid);
        }
        printf("所有线程执行完毕，num=%d\n", num);
        getchar();//防止主线程退出，回车即退出。
        return 0;
    }

#### 出现该问题的原因 ####

代码中的`num++`虽说是一行代码，但实际对于CPU来说是3个指令操作：将num从内存加载到CPU寄存器、寄存器num+1、寄存器num+1后的值写入内存。  
由于多个线程同时并发，并错落执行对num的操作指令，CPU来回切换的线程上下文中的num与内存中的num会不一致，进而导致最终的num并非是按照循环次数的正确数字。

### POSIX的互斥锁 ###

要解决上面的问题，那就要对线程中存在并发操作共享数据的代码进行上锁，使其操作线程安全。

互斥锁的API和线程相关的API一样，都在`<pthread.h>`这个头文件中。  
创建互斥锁有两种方式，一种是静态创建，另一种是动态创建：  
\-静态创建  
`pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER`  
\-动态创建  
`int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);` ：动态创建互斥锁  
`int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);` ：释放动态创建的互斥锁资源

\-上锁解锁  
`int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);`：上互斥锁  
`int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);`：解互斥锁

基于前面的问题代码进行上锁操作，会发现最终的num等于`线程数*1000000`：

#include <pthread.h>
    #include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    int num = 0; //全局变量
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //静态创建互斥锁
    
    /** * 函数执行体。类似java中的Thread#run函数。 * 当函数体执行完毕，则线程结束。 * @param arg 创建线程时传入的参数。 * @return 线程返回的结果，可以被创建该线程的父线程通过pthread_join获取。 */
    void *thread_proc(void *arg) { 
        for (int i = 0; i < 1000000; ++i) { 
            pthread_mutex_lock(&mutex); //上锁
            num++;
            pthread_mutex_unlock(&mutex); //解锁
        }
        return NULL;
    }
    
    
    int main(void) { 
        int tcount = 3;
        pthread_t tids[tcount];
        for (long long i = 1; i <= tcount; ++i) { //创建多个线程
            int errno = pthread_create(&tids[i - 1], NULL, thread_proc, (void *) i); //创建线程
            if (errno) {  //当线程创建失败，返回的errno非0
                fprintf(stderr, "pthread_create:%s\n", strerror(errno)); //打印异常信息
                return -1;
            }
        }
        for (int i = 0; i < tcount; ++i) { 
            pthread_t tid = tids[i];
            pthread_join(tid, NULL);
            printf("线程%lld结束。\n", (long long) tid);
        }
        printf("所有线程执行完毕，num=%d\n", num);
        getchar();//防止主线程退出，回车即退出。
        return 0;
    }