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linux c编程：互斥锁

们常说互斥锁保护临界区，实际上是说保护临界区中被多个线程或进程共享的数据。互斥锁保证任何时刻只有一个线程在执行其中的代码。

互斥锁具有以下特点：

·原子性：把一个互斥锁定义为一个原子操作，这意味着操作系统保证了如果一个线程锁定了互斥锁，则没有其他线程可以在同一时间成功锁定这个互斥量。

·唯一性：如果一个线程锁定一个互斥量，在它接触锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量。

·非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥锁，第二个线程又试图去锁定这个互斥锁，则第二个线程将被挂起（不占用CPU资源），直到第一个线程解锁，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量

创建互斥锁需要用到下面几个函数和变量：

在使用互斥锁之前，需要先创建一个互斥锁的对象。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。

pthread_mutex_t mtx;
这就定义了一个互斥锁。但是如果想使用这个互斥锁还是不行的，我们还需要对这个互斥锁进行初始化， 使用函数 pthread_mutex_init() 对互斥锁进行初始化操作。
pthread_mutex_init(&mtx, NULL);

除了使用 pthread_mutex_init() 初始化一个互斥锁，我们还可以使用下面的方式定义一个互斥锁：

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

在头文件 /usr/include/pthread.h 中，对 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 的声明如下

# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
   { { 0, 0, 0, 0, 0, 0, { 0, 0 } } }
为什么可以这样初始化呢，因为互斥锁的类型 pthread_mutex_t 是一个联合体， 其声明在文件 /usr/include/bits/pthreadtypes.h 中，代码如下：
/* Data structures for mutex handling.  The structure of the attribute
   type is not exposed on purpose.  */
typedef union
{
struct __pthread_mutex_s
    {
int __lock;
        unsigned int __count;
int __owner;
#if __WORDSIZE == 64
        unsigned int __nusers;
#endif
        /* KIND must stay at this position in the structure to maintain
           binary compatibility.  */
        int __kind;
#if __WORDSIZE == 64
        int __spins;
        __pthread_list_t __list;
# define __PTHREAD_MUTEX_HAVE_PREV  1
#else
        unsigned int __nusers;
        __extension__ union
        {
int __spins;
            __pthread_slist_t __list;
        };
#endif
    } __data;
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
long int __align;
} pthread_mutex_t;

获取互斥锁：

接下来是如何使用互斥锁进行互斥操作。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。例如在一个线程在试图修改一个变量的时候，另一个线程也试图去修改这个变量，那就很可能让后修改的这个线程把前面线程所做的修改覆盖了。

下面是获取锁的操作：

阻塞调用

pthread_mutex_lock(&mtx);

这个操作是阻塞调用的，也就是说，如果这个锁此时正在被其它线程占用，那么 pthread_mutex_lock() 调用会进入到这个锁的排队队列中，并会进入阻塞状态，直到拿到锁之后才会返回。

非阻塞调用

如果不想阻塞，而是想尝试获取一下，如果锁被占用咱就不用，如果没被占用那就用，这该怎么实现呢？可以使用 pthread_mutex_trylock() 函数。这个函数和 pthread_mutex_lock() 用法一样，只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.
    }
}

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呢，那么可以使用 pthread_mutex_timedlock() 来解决，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.
    }
}

上面代码的意思是，阻塞等待线程锁，但是只等1秒钟，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.  */
};

释放互斥锁

用完了互斥锁，一定要记得释放，不然下一个想要获得这个锁的线程，就只能去等着了，如果那个线程很不幸的使用了阻塞等待，那就悲催了。

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

pthread_mutex_unlock(&mtx);

同步中有一个称为生产者-消费者（producer-consumer）的经典问题。一个或多个生产者（线程或进程）产生一个个数据条目，这些条目由一个或多个消费者（线程或进程）处理。数据条目在生产者和消费者之间通过某种类型的IPC传递。

这里以生产者和消费者为例，模型如下：

根据这个模型可以构造相关的代码：

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#define MAXNITEMS 1000000

#define MAXNTHREADS 5

int nitems;

struct

{

pthread_mutex_t mutex;

int buff[MAXNITEMS];

int nput;

int nval;

}shared={PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER};

void *produce(void *arg)

{

for(;;)

{

pthread_mutex_lock(&shared.mutex);

if(shared.nput >= nitems)

{

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

return NULL;

}

shared.buff[shared.nput]=shared.nval;

shared.nput++;

shared.nval++;

pthread_mutex_unlock(&shared.mutex);

*((int *)arg)+=1;

}

void *consumer(void *arg)

{

int i;

for(i=0;i<=nitems;i++)

{

if(shared.buff[i] != i)

printf("buff[%d]=%d\n",i,shared.buff[i]);

}

return NULL;

}

int produce_consumer()

{

int i,nthreads,count[MAXNTHREADS];

pthread_t tid_produce[MAXNTHREADS],tid_consume;

nitems=MAXNITEMS;

nthreads=MAXNTHREADS;

pthread_setconcurrency(nthreads);

for(i=0;i<nthreads;i++)

{

count[i]=0;

pthread_create(&tid_produce[i],NULL,produce,&count[i]);

}

for(i=0;i<nthreads;i++)

{

pthread_join(tid_produce[i],NULL);

printf("count[%d]=%d\n",i,count[i]);

}

pthread_create(&tid_consume,NULL,consumer,NULL);

pthread_join(tid_consume,NULL);

return 1;

}

1首先我们创建生产者线程，每个线程执行produce。在tid_produce数组中保存每个线程的线程ID。传递给每个生产者线程的参数是指向count数组中某个元素的指针。首先把该计数器初始化为0.然后每个线程在每次往缓冲区中存放一个条目时给这个计数器加1。当一切生成完毕时，我们输出这个计数器数组各元素的值，以查看每个生产者线程分别存放了多少条目