linux 互斥量pthread_mutex

news2024/12/24 2:36:36

专栏内容：linux下并发编程
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座右铭：天行健，君子以自强不息；地势坤，君子以厚德载物．

前言

概述

原理

初始化

进程和线程使用的不同点

死锁

接口

基本API

属性设置

带等待超时的接口

代码演示

结尾

前言

本专栏主要分享linux下并发编程相关知识，包括多进程，多线程，进程/线程间通信，并发同步控制，以及高并发下性能提升，请大家多多留言。

概述

本文主要介绍并发编程中的互斥量，linux中提供了一系列pthread_mutex打头的接口完成互斥量的功能。它不同于信号量，在并发编程中应用非常广泛。

原理

互斥量，顾名思义，就是相互排斥，也就是说两个并发任务想要达到顺序排列执行目的时，就要用到互斥量。在关键代码包在互斥量的lock/unlock中间，那么这段代码在多个任务并发时也是顺次执行的，但是它们的顺序是竞争的结果，看谁也争抢到互斥量并加锁。

初始化

有两种形式，一种是静态初始化，使用默认的值，如下；

pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

一种是调用初始化API, pthread_mutex_init,这就比较灵活，可以对mutex的属性进行设置。

进程和线程使用的不同点

默认是PTHREAD_PROCESS_PRIVATE 在多线程间的使用，也是就进程内部，进程间的使用PTHREAD_PROCESS_SHARED，同时pthread_mutex_t变量也需要在共享内存中，这样状态的变化在多进程中都可以访问到。

死锁

在互斥量使用的过程中我们要避免死锁的发生，如果有多种锁的使用时，还需要增加死锁检测机制，而不仅仅是靠代码保证。

几种防止策略，一是尽量使用单一的互斥量锁；二是互斥量锁间避免嵌套使用；三是嵌套使用时，按一定次序进行加锁，避免无序加锁；四是使用带有超时的加锁方法，在超时时释放持有的其它锁；

接口

基本API

头文件

#include <pthread.h>

/*创建并初始化，以及销毁*/

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

/* 加锁，尝试加锁，解锁 */

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

属性设置

头文件

#include <pthread.h>

/* mutex attribute创建初始化，以及销毁 */

int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

int pthread_mutexattr_destroy( pthread_mutexattr_t *attr );

（1）共享属性

int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *attr,

int *pshared);

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr,

int pshared);

设置属性取值为：

PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，mutex在单进程的线程间共享使用。这是默认取值。

PTHREAD_PROCESS_SHARED，mutex可以在任意线程间使用，只要可以访问到mutex的线程，也就是在多进程间也可以使用。

（2）健壮（robust）属性

int pthread_mutexattr_getrobust(const pthread_mutexattr_t *attr,

int *robustness);

int pthread_mutexattr_setrobust(const pthread_mutexattr_t *attr,

int robustness);

设置属性值为：

PTHREAD_MUTEX_STALLED，当持有lock的线程在中止前没有调用unlock，那么其它等待该mutex的线程将不能获取到，一直会被阻塞。这是默认值。

PTHREAD_MUTEX_ROBUST，当持有lock的线程在中止前没有调用unlock，那么其它等待者可以获得，在下一个获得mutex的线程，得到的返回码为EOWNERDEAD，此时需要调用pthread_mutex_consistent，让mutex的状态进行同步，否则不能进行其它操作。

（3）类型属性

int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr,

int *restrict type);

int pthread_mutexattr_settype(pthread_mutexattr_t *attr, int type);

类型属性，主要对于重复lock，还有重复unlock的行为，在不同类型下，以及与健壮属性的结合时，有不同的表现，具体解释如下：

PTHREAD_MUTEX_NORMAL ，不会检测重复加锁产生的死锁，对于没加锁时调用unlock或重复unlock由健壮属性决定；

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK ，检测死锁和没持用锁时的unlock行为，都返回错误码；

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE ，当前线程重复lock时，会成功，mutex只是增加count值，当然unlock的次数也需要对应，只有count为零时才能真正释放锁。在调用pthread_mutex_trylock时，会对count值递增；其它三种类型下，如果被lock时（即使是当前线程lock）会立即返回。

PTHREAD_MUTEX_DEFAULT，默认值，对上述两种行为未定义，如果存在时使用以上三种类型。

以上几种属性组合后的影响如下：

mutext类型	健壮属性	重复加锁	没加锁时unlock或重复unlock
PTHREAD_MUTEX_NORMAL	PTHREAD_MUTEX_STALLED	产生死锁	未定义的行为
PTHREAD_MUTEX_NORMAL	PTHREAD_MUTEX_ROBUST	产生死锁	返回错误
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK	任意	返回错误	返回错误
PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE	任意	递归加锁	返回错误
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT	PTHREAD_MUTEX_STALLED	未定义的行为	未定义的行为
PTHREAD_MUTEX_DEFAULT	PTHREAD_MUTEX_ROBUST	未定义的行为	返回错误

带等待超时的接口

#include <pthread.h>

#include <time.h>

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timesec *restrict tsptr);

在尝试加锁时，可以设置tsptr超时时间；这样可以避免死锁的发生。

代码演示

在我的gitcode工程中，链接如下：

韩楚风 / hatchCode · GitCode

以往都会在博客中粘贴代码，发现代码多时，在博客中就看不清代码结构，幸好csdn也开放了gitcode，这样可以看到整个代码，并且可以完整下载运行。

本次的代码路径为hatchCode/ex04_process，实现了多进程间的互斥锁演示，大家也可以在此代码框加上继续开发。

[senllang@localhost ex04_process]$ pwd
/home/senllang/Dev/hatchCode/ex04_process

[senllang@localhost ex04_process]$ ll
total 32
-rw-r--r--. 1 senllang develops 2273 May 3 12:05 ipc_mutex.c
-rw-r--r--. 1 senllang develops 955 May 3 12:05 ipc_mutex.h
-rw-r--r--. 1 senllang develops 1526 May 3 12:05 ipc_shmem.c
-rw-r--r--. 1 senllang develops 719 May 3 12:05 ipc_shmem.h
-rw-r--r--. 1 senllang develops 1506 May 3 12:05 main.c
-rw-r--r--. 1 senllang develops 1497 May 3 12:05 Makefile
-rw-r--r--. 1 senllang develops 1243 May 3 12:05 process.c
-rw-r--r--. 1 senllang develops 690 May 3 12:05 process.h