目录

一.前提：临界区 & 临界资源

二.什么是互斥

（一）.互斥概念

（二）.为什么需要互斥

三.互斥锁介绍

（一）.互斥锁的概念

（二）.互斥锁的使用

①系统API接口

②C++库

（三）.互斥锁的底层原理

①加锁

②解锁

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一.前提：临界区 & 临界资源

编写多线程程序时，多个线程可能需要执行同一个函数。如果该函数中有变量为这些线程共享，且可以改变，这样的变量可以称为临界资源。

相对应的改变这些资源的代码就叫做临界区。

示例如下代码：

int i = 0;//变量i为这些线程共享，即临界资源
void* func(void* arg){
    ...
    //临界区起点
    i = 3;
    //临界区终点
    ...
}

int main(){
    pthread_t tid[2];
    pthread_create(&tid[0], nullptr, func, nullptr);
    pthread_create(&tid[1], nullptr, func, nullptr);
    pthread_join(tid[0], nullptr);
    pthread_join(tid[1], nullptr);
    return 0;
}

二.什么是互斥

（一）.互斥概念

所谓互斥，其实就是在某一时刻只能有一个线程访问临界区，且完整的使用临界资源没有其他线程打扰，即原子性。

简单来说就是当前线程使用完临界资源后其他线程才能来使用。

（二）.为什么需要互斥

如果多个线程同时访问临界资源，那么可能造成很严重的后果。

举个例子：
如下代码：

std::cout >> i >> std::endl;
i--;

假设此时i == 1，当有多个线程同时执行时，可能会发生意向不到的情况。 

进行i--操作时，CPU其实分为三个步骤：

 当线程A执行i--时，如果在②步骤执行完毕后被操作系统突然切换为线程B，那么i值不会写回内存，而是作为上下文数据被该线程携带：

当线程B执行i--时，①步骤从内存中读取的是1，之后②③步骤正常执行完毕，写回内存中，此时内存i值为0： 

如果此时再将线程A切回，那么会直接执行③步骤，也就是说会将内存值写为0，而这就与程序不符了。

明明是被两个线程执行过，i应该是-1，而结果却是0！

因此，当多线程使用临界区时，要确保只能有一个线程访问该临界资源，且必须是原子性的使用资源。

换一种说法就是，如果没有互斥保护，那么多线程访问临界资源就是并发执行；当有互斥保护时，多线程问临界资源就是串行执行。

三.互斥锁介绍

（一）.互斥锁的概念

互斥锁通俗来讲就是用来完成互斥行为的对象，锁住的范围一般就是临界区。

需要互斥操作的多线程共享一个互斥锁，当一个线程获得互斥锁后，其他线程会阻塞等待，直到当前线程归还互斥锁后，其他线程争抢互斥锁，谁获得了谁能进入临界区执行代码。

（二）.互斥锁的使用

①系统API接口

头文件：<pthread.h>

定义：

pthread_mutex_t mtx;

初始化（两种方式）：

pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);//方式一
pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITALIZER;//方式二

 加锁与解锁：

lock与trylock的区别是，当多线程同时争抢互斥锁时，lock会让未抢到的线程阻塞等待，trylock不会阻塞等待。

pthread_mutex_lock(&mtx);
...//临界区
pthread_mutex_unlock(&mtx);

 销毁：

pthread_mutex_destroy(&mtx);

②C++库

头文件：<mutex>

定义互斥锁对象：

std::mutex mtx;

加锁与解锁：

mtx.lock();//方式一，阻塞等待
mtx.try_lock();//方式二，非阻塞等待
...//临界区
mtx.unlock();

（三）.互斥锁的底层原理

 底层汇编：

①加锁

1.

这一步是将0值写入al寄存器中。

图示：

2.

将al寄存器值与mutex值（即互斥量）交换，无锁时mutex值是1。

图示：

3.

如果al值大于0，即该线程获得锁，那么返回。如果没有获取锁，线程会阻塞，阻塞结束后跳转重新执行加锁过程。

图示：

对于线程B而言，当被调用后使用CPU时，此时mutex中值为0，al先被赋值为0，与mutex交换后值依旧为0，因此，当执行第三步时，会判断为else的情况，即阻塞等待。当线程A执行完毕解锁后，再经过goto语句，重新执行加锁过程。

总之，所谓加锁，其实就是所有线程抢占一个互斥量（1），抢到的给al寄存器，加锁成功；没抢到的，al寄存器值为0，阻塞等待。

②解锁

相对于加锁，解锁很简单，就是当线程执行完临界区后，将mutex中的值置为1即可。

这样，当其他线程抢锁时，mutex值为1，总会有一个线程加锁成功。

图示如下：

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如有错误，敬请斧正