Linux-线程互斥和死锁

news2025/1/18 18:48:45

一.线程互斥

1.1 进程线程间的互斥相关背景概念

1.2 互斥量mutex

二.互斥量的接口

2.1 初始化互斥量

2.2 销毁互斥量

2.3 互斥量加锁和解锁

2.4 改进后售票代码

三.死锁

3.1.什么是死锁？

3.2.死锁四个必要条件

3.3 避免死锁

一.线程互斥

1.1 进程线程间的互斥相关背景概念

临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
临界区：每个线程内部，访问临界区的代码，就叫做临界区
互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用
原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成

1.2 互斥量mutex

大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket = 100;
void *route(void *arg)
{
    char *id = (char *)arg;
    while (1)
    {
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}
int main(void)
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;
    pthread_create(&t1, NULL, route, "thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, "thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, "thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, "thread 4");
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
}

为什么结果会到负数？

if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程
usleep这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段
--ticket操作本身就不是一个原子操作

--操作的汇编代码
152 40064b: 8b 05 e3 04 20 00 mov 0x2004e3(%rip),%eax # 600b34 <ticket>
153 400651: 83 e8 01 sub $0x1,%eax
154 400654: 89 05 da 04 20 00 mov %eax,0x2004da(%rip) # 600b34 <ticket>

--操作并不是原子操作，而是对应三条汇编指令：

将共享变量ticket从内存加载到寄存器中
更新寄存器里面的值，执行-1操作
将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址

要解决以上问题，需要做到三点：

代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量。

二.互斥量的接口

2.1 初始化互斥量

Linux下

//静态分配
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

//动态分配
pthread_mutex_t mutex;
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t
*restrict attr);

参数：
mutex：要初始化的互斥量
attr：NULL

C++(默认构造创建的时候就初始化了)

std::mutex mu;

2.2 销毁互斥量

销毁互斥量需要注意：

不要销毁一个已经加锁的互斥量
使用PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁
已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

在C++中，使用 <mutex> 标准库时，std::mutex 对象的销毁会自动发生，通常不需要手动干预。当 std::mutex 对象的生命周期结束时，其析构函数会被自动调用，这会释放它所持有的任何系统资源。这意味着，如果在函数中创建了一个局部 std::mutex 对象，或者当它的作用域结束时，析构函数会被调用。

2.3 互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值:成功返回0,失败返回错误号

std::mutex mu;
mu.lock(); // 请求锁定
    
mu.unlock(); // 完成后解锁

调用pthread_ lock 时，可能会遇到以下情况:

互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

2.4 改进后售票代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
int ticket = 100;
pthread_mutex_t mutex;
void *route(void *arg)
{
    char *id = (char *)arg;
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            // sched_yield(); 放弃CPU
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
    }
}
int main(void)
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_create(&t1, NULL, route, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, (void *)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, (void *)"thread 4");

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}