【Linux】线程安全问题①——如何实现资源访问互斥（附图解与代码实现）

线程安全主要分为两个方面，分别是资源访问互斥与线程同步（线程协同配合）

本篇博客，我们主要来讲解资源访问互斥这一方面

为什么要实现资源访问互斥？

实现资源访问互斥（原子访问）的经典机制——互斥锁

互斥锁相关函数

使用互斥锁实现资源访问互斥的具体实现

代码实现

结果图示

为什么要实现资源访问互斥？

我们来做一个情景假设

假设现在有两个线程，分别是线程A和线程B，有一个全局变量，名为num，num的初始值位0。

现在这两个线程都要对num这个全局变量进行+1操作，并且都得到了时间片，大家觉得结果一定是2吗？

还真不一定，为什么呢？我来通过几条汇编指令来给大家讲解一下

首先我们要知道 " num = num + 1 ; " 这条语句在计算机中的汇编语言是如何实现的

mov eax , num #将num的数值放入寄存器eax中
add eax , 1 #将寄存器eax中的数值+1
mov num , eax #再将eax中的数值赋给num

假设线程A和线程B同时获得了num的初始值，也就是他们的第一条汇编指令是同时进行的，不论后续两步谁快谁慢，num最后的结果都是1，因为他们寄存器中num的数值都是0。只有两个线程先后进行对num数值的修改，才能够得到正确的结果2

为什么会出现这种情况呢？就是因为他们没实现对资源的原子访问，两个线程互相将对方的结果覆盖了。所以我们要采用方法杜绝这种情况，实现资源访问互斥，让两个线程对这些共享数据实现原子访问。也就是当自己对这些共享数据进行读写的时候，其余线程不可以对这些数据进行读写操作

实现资源访问互斥（原子访问）的经典机制——互斥锁

实现原子访问的经典机制之一，便是互斥锁机制。要理解互斥锁机制，我们可以拿身边最常见的一个东西来进行举例，那就是卫生间

我做一个情景假设，来帮助大家理解互斥锁机制

假设现在陆续有十个人要来上厕所，卫生间只有一个

第一个人到了，尝试开卫生间的门（其实也就是尝试获取卫生间门锁的使用权），发现门没有被锁上，于是获得了卫生间门锁的使用权，锁上了卫生间的门并使用卫生间
第二个人到了，尝试开卫生间的门，发现门被锁上了，于是排在第一个等待卫生间开门
其他的人到了，尝试开卫生间的门，发现门被锁上了，排在第一个人后面等待卫生间开门
第一个人出来了，对卫生间的门进行解锁，卫生间现在可供一个人使用
排在队伍的第一个人获得了卫生间门锁的使用权，锁上了卫生间的门并使用卫生间，后面的步骤同上

卫生间就好比数据，卫生间的门锁就好比互斥锁。

每个线程要想使用这些共享数据，就要先尝试获取互斥锁，如果发现卫生间门锁被锁上，也就是该互斥锁正在被使用的话，这些线程就会进入资源等待队列，等待这个锁的使用权，等到该互斥锁可以使用了，排在最前面的线程就会得到该锁，并对需要访问的共享资源进行上锁，从而正确使用这些共享资源

PS:

相同共享资源的互斥锁只能有一把，如果有多把互斥锁，每个线程都可以拿着互斥锁对共享资源进行上锁的话，互斥锁的存在就没有意义了
线程间的共享资源包括：全局资源（全局变量就属于全局资源的一种）、文件描述符、进程信息、堆区空间、信号行为、库空间等
在互斥锁保护区间的代码也被称为临界区代码，临界区代码越简短越好，否则会影响工作效率
拿到互斥锁的线程在解锁后可能会再次拿到互斥锁，不是一个线程只能拿一次

如果还是不能够理解的话，我们仍旧拿上面的那两个线程举例，并和上面的情景进行比对

假设现在有两个线程，分别是线程A和线程B，要对初始值位0的全局变量num进行加一操作，步骤如下

步骤	卫生间情景	线程情景
①	第一个人到了，尝试获取卫生间门锁的使用权，发现门没有被锁上，于是获得了卫生间门锁的使用权，锁上了卫生间的门并使用卫生间	线程A到了，尝试获取互斥锁，发现锁没有被使用，于是获得了该锁的使用权，并对全局变量num进行上锁操作
②	第二个人到了，尝试开卫生间的门，发现门被锁上了，于是排在第一个等待卫生间开门	线程B到了，尝试获取互斥锁，但是锁只有一把，于是便进入资源等待队列等待该锁的使用权
③	第一个人出来了，对卫生间的门进行解锁，卫生间门锁现在可供一个人使用	线程A对全局变量num的+1操作完成，对该互斥锁进行解锁操作，锁现在可以被一个线程使用
④	第二个人获得了卫生间门锁的使用权，锁上了卫生间的门并使用卫生间	线程B获得了该互斥锁的使用权，并对全局变量num进行上锁操作
⑤	第二个人出来了，对卫生间的门进行解锁，卫生间被使用了两次，情景完成	线程B对全局变量num的+1操作完成，对该互斥锁进行解锁操作，num的结果为2，情景完成

以上大致就是实现互斥锁机制的具体过程了，接下来我们来了解以下相关函数

互斥锁相关函数

这里我们要用到一个结构体，叫做pthread_mutex_t，这是互斥锁的相关结构体

先介绍下一会会用到的几个变量：

pthread_mutex_t lock ; //定义一个互斥锁的结构体
const pthread_mutexattr_t attr ; //锁属性相关结构体，使用默认属性就直接传NULL

函数	功能	返回值
pthread_mutex_init(&lock , &attr);	实现互斥锁的初始化	成功完成之后会返回0，其他任何返回值都表示出现了错误
pthread_mutex_destroy(&lock);	释放锁资源所占用的内存	成功返回0，失败返回错误编号
pthread_mutex_lock(&lock);	上锁	成功返回0，失败返回错误编号
pthread_mutex_unlock(&lock);	解锁	成功返回0，失败返回错误编号

使用互斥锁实现资源访问互斥的具体实现

在了解了相关函数和实现资源互斥访问的情况下，我们来写一段小代码，来实现一个功能：

两个线程各对全局变量num加5000次，每次加1 （难度：⭐⭐）

PS：要注意的是，不是每个线程一次加满5000次才让另一个线程再加5000次，而是两个线程轮流加，最后都能加满5000次

代码实现

//mutex_lock.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/stat.h>
#include <signal.h>
#include <pthread.h>
#include <fcntl.h>

//将次数定义成宏
#define CONT 5000

//将互斥锁与num定义成全局变量，来让两个线程都可以获取该锁和num
pthread_mutex_t lock;
int num = 0;

//两个线程的工作是一样的，所以这里只用定义一个工作函数
void* thread_job(void* arg)
{
    int i = 0;
    pthread_detach(pthread_self());//将线程设置为分离态，让系统自己回收
    //对num进行循环+1操作
    //注意，不要把锁加在循环外面，如果放在外面，就代表着让一个线程一次性加满5000次后再让另一个线程加
    //如果把锁家在循环外面，两个线程的工作效率还不如单线程工作效率高
    while(i < CONT)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);//上锁
        //这就是临界区代码，在上锁与解锁之间的代码就是临界区代码
        num++; 
        i++;
        printf("thread No.0x%x ++num , num = %d\n" , (unsigned int)pthread_self() , num);
        pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    //初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&lock , NULL);
    pthread_t tids[2];
    //创造线程A和线程B
    pthread_create(&tids[0] , NULL , thread_job , NULL);
    pthread_create(&tids[1] , NULL , thread_job , NULL);
    //让主线程循环睡眠，来让线程A和线程B获取时间片
    //由于我们把线程设置成了分离态，系统会自动回收线程，不用我们操心
    while(1)
    {
        sleep(1);
    }
    //回收锁资源
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    exit(0);
}