互斥量mutex

互斥量基本原理

Linux系统编程 —互斥量mutex
互斥量mutex
前文提到，系统中如果存在资源共享，线程间存在竞争，并且没有合理的同步机制的话，会出现数据混乱的现象。为了实现同步机制，Linux中提供了多种方式，其中一种方式为互斥锁mutex（也称之为互斥量）。
互斥量的具体实现方式为：每个线程在对共享资源操作前都尝试先加锁，成功加锁后才可以对共享资源进行读写操作，操作结束后解锁。
互斥量不是为了消除竞争，实际上，资源还是共享的，线程间也还是竞争的，只不过通过这种“锁”机制就将共享资源的访问变成互斥操作，也就是说一个线程操作这个资源时，其它线程无法操作它，从而消除与时间有关的错误。

从互斥量的实现机制我们可以看出，同一时刻，只能有一个线程持有该锁。如果有同时有多个线程持有该锁，那就没有实际意义了。
但是，这种锁机制不是强制的，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。

因此，即使有了mutex，其它线程如果不按照这种锁机制来访问共享数据的话，依然会造成数据混乱。所以为了避免这种情况，所有访问该共享资源的线程必须采用相同的锁机制。
主要应用函数：

​ pthread_mutex_init函数
​ pthread_mutex_destroy函数
​ pthread_mutex_lock函数
​ pthread_mutex_trylock函数
​ pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0，失败返回错误号。
在Linux环境下，类型pthread_mutex_t其本质是一个结构体。但是为了简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。mutex一般以下面方式定义：
pthread_mutex_t mutex;
变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_trylock函数
函数原型：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

函数作用：
对共享资源尝试加锁。它与pthread_mutex_lock函数的区别是，使用lock函数对共享资源进行加锁时，如果加锁不成功，则线程就阻塞；而如果使用trylock，则加锁不成功时不会阻塞当前线程，而是立即返回一个值来描述互斥锁的状况。

死锁

线程试图对同一个互斥量A加锁两次。
线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

代码实现

#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *thread_main(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("HOUHOU\n");
        sleep(rand() % 3);
        printf("GUGU\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 3);

    }
}

int main()
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&tid, NULL, thread_main, NULL);

    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        printf("houhou\n");
        sleep(rand() % 3);
        printf("gugugu\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 3);

    }

    pthread_join(tid,NULL);

    return 0;
}

如果不加互斥锁，则会出现混乱的输出。
printf(“HOUHOU\n”);临界区不加锁，会失去cpu。

读写锁

基本概念

读写锁其实还是一种锁，是给一段临界区代码加锁，但是此加锁是在进行写操作的时候才会互斥，而在进行读的时候是可以共享的进行访问临界区的。

为什么需要读写锁？

有时候，在多线程中，有一些公共数据修改的机会比较少，而读的机会却是非常多的，此公共数据的操作基本都是读，如果每次操作都给此段代码加锁，太浪费时间了而且也很浪费资源，降低程序的效率，因为读操作不会修改数据，只是做一些查询，所以在读的时候不用给此段代码加锁，可以共享的访问，只有涉及到写的时候，互斥的访问就好了。

相关函数

（1）pthread_rwlock_init()—->初始化函数
功能：初始化读写锁
头文件：#include<pthread.h>
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthred_rwlockattr_t *restrict attr);

参数说明：
rwlock：是要进行初始化的
attr：是rwlock的属性
ps：此参数一般不关注，可设为NULL

（2）pthread_rwlock_destroy—->销毁函数
功能：销毁初始化的锁
头文件：#include<pthread.h>

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
参数说明：
rwlock:是需要进行销毁的锁

（3）加锁和解锁
在进行读操作的时候加的锁：
pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t* rwlock);
在进行写操作的时候加的锁：

pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t* rwlock);
对读/写统一进行解锁：
pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t* rwlock);

读写锁实现

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<malloc.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock;//声明读写锁
int count;
//写者线程的入口函数
void*route_write(void*arg)
{
    int i=*(int*)arg;//i是写者线程的编号
    free(arg);
    while(1){
        int t=count;
        //加锁
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        printf("route_write:%d,%#x,count=%d,++count=%d\n",i,\
                pthread_self(),t,++count);
        //解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}
//读者线程的入口函数
void*route_read(void*arg)
{
    int i=*(int*)arg;//i是读者线程的编号
    free(arg);
    while(1){
        //加锁
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("route_read:%d,%#x,count=%d\n",i,pthread_self(),count);
        //解锁
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    int i=0;
    //初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);
    pthread_t tid[8];
   
    //创建3个写者线程
    for(i=0;i<3;i++){
        int*p=(int*)malloc(sizeof(int));
        *p=i;
        pthread_create(&tid[i],NULL,route_write,(void*)p);
    }
    
    //创建5个读者线程
    for(i=0;i<5;i++){
        int*p=(int*)malloc(sizeof(int));
        *p=i;
        pthread_create(&tid[i+3],NULL,route_read,(void*)p);
    }
   
    //主线程等待新创建的线程
    for(i=0;i<8;i++)
        pthread_join(tid[i],NULL);
    //销毁读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    return 0;
}

生产-消费者模型

PV操作

明确定义
要理解生产消费者问题，首先应弄清PV操作的含义：PV操作是由P操作原语和V操作原语组成（原语是不可中断的过程），对信号量进行操作，具体定义如下：

P（S）：①将信号量S的值减1，即S=S-1；

       ②如果S　，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。

V（S）：①将信号量S的值加1，即S=S+1；

       ②如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

这只是书本的定义，对于这部分内容，老师先不要急于解释上面的程序流程，而是应该让学生首先知道P操作与V操作到底有什么作用。

P操作相当于申请资源，而V操作相当于释放资源。所以要学生记住以下几个关键字：

P操作—申请资源—pthread_cond_wait()

V操作—释放资源—pthread_cond_signal()

条件变量函数

 #include <pthread.h>
 
       //条件变量的销毁
       int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
       //条件变量的初识化
       int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
              const pthread_condattr_t *restrict attr);
              
       pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//静态声明

pthread_cond_t cond =PTHREAD_COND_INITIALIZER;，相当于调用函数pthread_cond_init()初始化，并且参数attr为NULL。

条件变量的操作函数

   #include <pthread.h>
 
   //唤醒该条件变量的所有线程
   int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
   //唤醒该条件变量中的一个线程
   int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
 
   int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
          pthread_mutex_t *restrict mutex,
          const struct timespec *restrict abstime);
          
   //让该线程在某个条件变量进行等待
   int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
          pthread_mutex_t *restrict mutex);

条件变量总是需要与互斥量结合使用，互斥量能限制一个线程能够访问共享资源，条件变量是在共享变量状态改变时发出通知。一个线程调用pthread_cond_wait函数则让它在一个条件变量下进行等待，pthead_cond_wait函数进行三个步骤：
释放互斥量
阻塞等待
当被唤醒时，重新获得互斥量并返回

生产者消费者问题

生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了共享固定大小缓冲区的两个线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采用进程间通信的方法解决该问题。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。

生产-消费者模型实现代码

#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct msg
{
    struct msg* next;
    int num;
};

struct msg* head;
struct msg* mp;

pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


void *consumer(void *arg)
{
    for(;;)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(head == NULL)   
        {
            pthread_cond_wait(&has_product,&lock);//pthread_cond_wait() 用于阻塞当前线程，等待别的线程使用	pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast来唤醒它。
        }

        //链表不为空，则直接"消费"
        mp = head;
        head = mp->next;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("Consume ---%d\n",mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand()%5);
    }
}

void *producter(void *arg) 
{
    for(;;)
    {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;
        printf("Product ---%d\n",mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);
        sleep(rand() % 5);
    }

}

int main()
{
    pthread_t pid,cid;    
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&pid,NULL,consumer,NULL);
    pthread_create(&cid,NULL,producter,NULL);

    pthread_join(pid,NULL);
    pthread_join(cid,NULL);

    return 0;
}

消费者：关于while循环的目的是等待队列中有产品（数据）可供消费。

当线程进入这个循环时，它首先获取互斥锁lock，以确保在检查队列状态时不会被其他线程中断。
然后，它检查队列头指针head是否为空。如果队列为空，说明没有产品可供消费。
在这种情况下，线程调用pthread_cond_wait(&has_product, &lock)，它会释放互斥锁lock并等待条件变量has_product的信号。
当其他线程向队列添加产品时，它们会发送信号给has_product，唤醒等待的消费者线程。
一旦有产品可供消费（即队列不再为空），线程会重新获取互斥锁并继续执行后续代码。

为什么使用while：
使用while而不是if的原因是防止虚假唤醒（spurious wakeups）。
虚假唤醒是指在没有明确信号的情况下，线程被唤醒。如果使用if，线程可能在没有产品的情况下被唤醒，然后错误地继续执行后续代码。
while循环会在每次被唤醒后重新检查条件，确保只有在队列非空时才继续执行。

总结：while循环用于等待队列中有产品可供消费，同时避免虚假唤醒的问题。