Linux线程同步与互斥（上）

目录

前言

1.互斥

1.先来见一种现象（数据不一致问题）

2.如何解决上述问题

3.理解为什么数据会不一致&&认识加锁的接口

4.理解锁

5.锁的封装

前言

  在前面对线程的概念和控制的学习过程中，我们知道了线程是共享地址空间的，也就是会共享大部分资源，那么这个时候就会产生新的问题——并发访问，最直观的感受就是每次运行得出的结果值大概率不一致，这种执行结果不一致的现象是非常致命，因为它具有随机性，即结果可能是对的，也可能是错的，无法可靠的完成任务

image-20250615172706982

  为了解决这一问题，我们要引入新的解决方案——同步和互斥，我们先来讲互斥！

1.互斥

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1.先来见一种现象（数据不一致问题）

• 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，比如说下面的一段模拟抢票的实验代码

// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <iostream>
#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) // 1.判断{usleep(1000);                               // 模拟抢票化的时间printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); // 2.模拟抢到了票ticket--;                                   // 3.票数--}else{break;}}return nullptr;
}
​
int main(void)
{pthread_t t1, t2, t3, t4;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);
}

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可以看到结果都把票干到负数了，这在现实中可是一件很糟糕的事情，比如说高铁明明只有200个座位，却有201的人抢到了票，这个人是没有位置的，说明多个线程并发的操作共享变量，会带来⼀些问题

2.如何解决上述问题

上面的代码中

临界区：

while (1){if (ticket > 0) // 1.判断{usleep(1000);                               // 模拟抢票化的时间printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); // 2.模拟抢到了票ticket--;                                   // 3.票数--}else{break;}}

共享资源是：int ticket =1000；

其他代码都属于非临界区

我们要想办法保护临界区：通过在临界区中前后加锁可以保护起来！

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
​
int ticket = 100;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 对锁进行初始化
​
void *route(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){pthread_mutex_lock(&lock);if (ticket > 0) // 1.判断{usleep(1000);                               // 模拟抢票化的时间printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); // 2.模拟抢到了票ticket--;                                   // 3.票数--pthread_mutex_unlock(&lock);}else{pthread_mutex_unlock(&lock);break;}}return nullptr;
}
​
int main(void)
{pthread_t t1, t2, t3, t4;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);
}

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可以从结果看到，此时就不会出现票数为负的情况了，顺利解决数据不一致的问题

3.理解为什么数据会不一致&&认识加锁的接口

首先我们需要知道的是ticket--不是原子性的操作，它会被汇编代码转换成三条指令

• load ：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中

• update : 更新寄存器⾥⾯的值，执⾏-1操作

• store ：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址

比如：

0xFF00 载入 ebx ticket
0xFF02 减少 ebx 1
0xFF04 写回 0x1111 ebx

假设我们有A、B两线程，ticket初始是100，在cpu调度A线程执行到0xFF04时要发生线程切换，此时需要保存A的上下文数据：ebx（ticket）为99，cpu的pc指针保存0xFF04地址，然后cpu开始调度B线程，B线程运气很好，在循环执行让ticket减到1之后刚好才要被切换，保存上下文之后cpu又重新调度A，此时pc指针保存的0xFF04地址是要执行写回内存的指令，那么这个时候的ticket又回到了99，这就发生了数据不一致问题，也说明了ticket--不是原子性的操作

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[^]  我们暂时这么去理解原子性：一条汇编就是原子的 

我们上面的票数减到负数其实主要的问题不是出在ticket--这个操作，而是出战if条件判断ticket>0这一操作上，对于ticket值是否大于0做判断也是一种计算（逻辑计算，得到的是布尔值），执行时先载入cpu，再判断；那么此时如果有3个线程，ticket此时为1，都完成1的载入后被切走了(因为加了休眠的时间，导致线程没来及做--操作就让下一个线程进来了)，后面按顺序唤醒线程时时并行判断都是1就允许进入了，三个线程此时串行载入ticket，执行ticket--然后再写回内存使得ticket此时从1->0->-1->-2就变成-2了

上面的问题告诉了我们：全局资源没有加保护，可能会有并发问题——线程安全问题，同时要形成上面的问题需要在多线程中，制造更多的并发、更多的切换，切换的时间点：1.时间片到了 2.阻塞式IO 3.sleep等等...；选择新的线程时间点：从内核态返回用户态的时候，进行检查

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 ——pthread_mutex_t(互斥锁/互斥量)

屏幕截图 2025-06-16 165944

[^]  pthread_mutex_init的第二个参数为锁属性，我们不用管设为nullptr就行 

加锁规则：尽量加锁的范围粒度要比较细，尽可能不要包含太多的非临界区代码

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对临界区进行保护本质其实就是用锁来对临界区进行保护

问题1：如果有线程不遵守我们的规则，那就是一个bug，所有线程必须遵守！！

问题2：枷锁之后，在临界区内部允许线程切换吗？切换了会怎么样？

答：允许切换，但是不会怎么样，因为我当前线程并没有释放锁，该线程持有锁被切换，

其他线程也必须等我被切换回来执行完代码、释放锁了才能展开申请锁的竞争，进而

进入临界区（当然这样就会导致多线程执行代码的速度变慢）

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加锁和解锁的本质就是把整个代码块进行原子化，让其他无法中断该线程

4.理解锁

经过上⾯的例⼦，⼤家已经意识到单纯的 i++或者 ++i都不是原⼦的，有可能会有数据⼀致性问题

锁的原理：

  1. 硬件级实现：关闭时钟中断

  2. 软件级实现：

    为了实现互斥锁操作，大多数体系结构都提供了swap或exchange指令（只有一条指令保证原子性），该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换

    下面是一段锁在汇编的伪代码：

    image-20250616193123421

image-20250616191606705

5.锁的封装

其实在c++中用锁很简单，我们只需要包含#include<mutex.h>头文件，然后定义一个锁被封装好的mutex类的对象，然后就可以用这个对象调用这个mutex类中的lock、unlock接口实现申请锁和解锁等操作啦（我们其实在c++阶段是学过的）

image-20250616195740905

使用c++封装的锁来解决我们上面的抢票数据不一致问题代码：

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <mutex>
​
int ticket = 100;
// pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 对锁进行初始化
std::mutex lock;
​
void *route(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){// pthread_mutex_lock(&lock);lock.lock();if (ticket > 0) // 1.判断{usleep(1000);                               // 模拟抢票化的时间printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); // 2.模拟抢到了票ticket--;                                   // 3.票数--// pthread_mutex_unlock(&lock);lock.unlock();}else{// pthread_mutex_unlock(&lock);lock.unlock();break;}}return nullptr;
}
​
int main(void)
{pthread_t t1, t2, t3, t4;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);
}

我们当然也可以自己造个轮子，也跟着封装一个我们自己的锁

Mutex.hpp

#pragma once
#include <pthread.h>
#include <iostream>
​
namespace MutexModle
{class Mutex{public:Mutex(){pthread_mutex_init(&_mutex, nullptr);}
​// 申请锁void Lock(){// pthread_mutex_lock成功返回0，失败返回错误码int n = pthread_mutex_lock(&_mutex);if (n != 0){std::cerr << "申请锁失败" << std::endl;return;}}
​// 解锁void Unlock(){int n = pthread_mutex_unlock(&_mutex);if (n != 0){std::cerr << "解锁失败" << std::endl;return;}}
​~Mutex(){pthread_mutex_destroy(&_mutex);}
​private:pthread_mutex_t _mutex;};
​// 实现RAII风格的互斥锁class LockGuard{public:LockGuard(Mutex &mutex): _mutex(mutex){_mutex.Lock();}
​~LockGuard(){_mutex.Unlock();}
​private:Mutex &_mutex;};
}

TestMutex.cc

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include "Mutex.hpp"
using namespace MutexModle;
​
int ticket = 100;
​
// 我们自己封装的锁类
Mutex lock;
​
void *route(void *arg)
{char *id = (char *)arg;while (1){// 申请锁// lock.Lock();// 通过LockGuard类构造对象调用构造函数中的申请锁代码实现自动加锁// 这就是RAII风格的互斥锁的实现LockGuard guard(lock);
​if (ticket > 0) // 1.判断{usleep(1000);                               // 模拟抢票化的时间printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); // 2.模拟抢到了票ticket--;                                   // 3.票数--// 解锁// lock.Unlock();// 通过guard临时对象出作用域会自动调用析构函数进行自动解锁}else{// lock.Unlock();// 通过guard临时对象出作用域会自动调用析构函数进行自动解锁break;}}return nullptr;
}
​
int main(void)
{pthread_t t1, t2, t3, t4;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);
​return 0;
}

结果当然也是显而易见的成功解决数据不一致问题啦！

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我们上面其实实现了RAII风格（智能指针就是利用这个思想的）的互斥锁

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