pthread 互斥量
参考文献：
温故知新
在 OS 中，每个进程都独立地拥有：
- Process ID, process group ID, user ID, and group ID
- Environment
- Working directory
- Program instructions
- Registers
- Stack
- Heap
- File descriptors
- Signal actions
- Shared libraries
- Inter-process communication tools (such as message queues, pipes, semaphores, or shared memory).
因此，使用 fork 开启一个新的进程，需要拷贝很多数据，开销较大。
与进程不同，线程需要只需要独立拥有：
- Stack pointer
- Registers
- Scheduling properties (such as policy or priority)
- Set of pending and blocked signals
- Thread specific data
需要特别注意的是，文件描述符和堆空间是进程独有的，因此该进程下面的所有线程都共用该进程的堆与文件描述符。
例如下面的代码：
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
void *worker1(void *arg)
{
char *p = malloc(25);
memcpy(p, "heap data from worker1", 23);
return p;
};
void *worker2(void *arg)
{
pthread_t tid1 = *(pthread_t *)arg;
char *ptr = NULL;
pthread_join(tid1, (void **)&ptr);
printf("In worker2: ");
if (ptr) puts(ptr);
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid1, tid2;
pthread_create(&tid1, NULL, worker1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, worker2, &tid1);
pthread_join(tid2, NULL);
}
线程同步
在描述这个概念之前，先看一段代码：
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
const int N = 1e4;
int value = 0;
void *worker1(void *arg)
{
int i = 1;
for (; i <= N / 2; i++) value = value + i;
return NULL;
};
void *worker2(void *arg)
{
int i = N / 2 + 1;
for (; i <= N; i++) value = value + i;
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid1, tid2;
pthread_create(&tid1, NULL, worker1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, worker2, NULL);
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
printf("%d\n", value);
printf("SUM(1, %d) should be %d .\n", N, N * (N + 1) / 2);
}
显然，我们想通过 2 个线程实现 SUM(1, N) 这个功能，但是编译多次你会发现，value 的值并不准确，有时候能输出正确答案 500500，有时候却不能。
这是因为 work1 和 work2 是并发执行的，假设一开始，2 个线程同时计算 value + i，work1 和 work2 分别得到 1 和 5001，但是写入 value 变量是有先后顺序的。假设 work1 先写入，work2 后写入，那么对于这 2 次累加，value 的最终结果是 5001 ，而不是 5002 。
从这个例子可以看出，线程与进程类似，同样需要同步 (Synchronization) ，对于临界资源，每次只允许一个线程访问。
互斥量 mutex
互斥量，也叫互斥锁。mutex, 即 Mutual exclusion , 意为相互排斥，主要用于实现线程同步中的写保护操作。
pthread_mutex_init
初始化一个互斥量 pthread_mutex_t mutex .
函数原型：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
参数：
mutex是即将要被初始化的互斥量attr是互斥量的属性，与pthread_attr_t类似
与之类似的，还有 pthread_mutex_destroy 函数。
使用方法：
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
pthread_mutex_lock
阻塞调用。如果这个互斥锁此时正在被其它线程占用， 那么 pthread_mutex_lock() 调用会进入到这个互斥锁量的等待队列中，并会进入阻塞状态， 直到拿到该锁之后才会返回。
函数原型如下：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock
非阻塞调用。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。
直白点的说法，请求资源，能拿到就拿，拿不到我就继续往下执行。
函数原型：
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_timedlock
函数原型：
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);
作用：尝试申请 mutex ，如果申请失败，那么会阻塞当前线程，直至时间到达 abs_timeout 这一时刻。
例子：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>
int main(void)
{
int err;
struct timespec tout;
struct tm *tmp;
char buf[64];
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&lock);
printf("mutex is locked\n");
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);
tmp = localtime(&tout.tv_sec);
strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp);
printf("current time is %s\n", buf);
tout.tv_sec += 10; /* 10 seconds from now */
/* caution: this could lead to deadlock */
err = pthread_mutex_timedlock(&lock, &tout);
clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &tout);
tmp = localtime(&tout.tv_sec);
strftime(buf, sizeof(buf), "%r", tmp);
printf("the time is now %s\n", buf);
if (err == 0)
printf("mutex locked again!\n");
else
printf("can’t lock mutex again: %s\n", strerror(err));
exit(0);
}
pthread_mutex_unlock
释放互斥锁。
函数原型如下：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
对于这些 API，如果成功，那么返回 0，否则返回错误码 errno ，可以通过下列宏定义打印错误信息：
#define handler_error_en(en, msg) \
do \
{ \
errno = en; \
perror(msg); \
exit(EXIT_FAILURE); \
} while (0)
例子：同步累加
对于「线程同步」一节给出的例子，使用互斥量实现同步操作，使得程序能够正确完成累加操作。
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
const int N = 1e4;
int value = 0;
pthread_mutex_t mutex;
void *worker1(void *arg)
{
int i = 1;
int sum = 0;
for (; i <= N / 2; i++) sum += i;
// 这样保证 value 仅能由一个线程访问
pthread_mutex_lock(&mutex);
value += sum;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
};
void *worker2(void *arg)
{
int i = N / 2 + 1;
int sum = 0;
for (; i <= N; i++) sum += i;
pthread_mutex_lock(&mutex);
value += sum;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
pthread_t tid1, tid2;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
pthread_create(&tid1, NULL, worker1, NULL);
pthread_create(&tid2, NULL, worker2, NULL);
pthread_join(tid1, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
printf("%d\n", value);
printf("SUM(1, %d) should be %d .\n", N, N * (N + 1) / 2);
pthread_mutex_destroy(&mutex);
}
