Linux多线程——使用互斥量同步线程
生活随笔
收集整理的這篇文章主要介紹了
Linux多线程——使用互斥量同步线程
小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.
前文再續，書接上一回，在上一篇文章：Linux多線程——使用信號量同步線程中，我們留下了一個如何使用互斥量來進行線程同步的問題，本文將會給出互斥量的詳細解說，并用一個互斥量解決上一篇文章中，要使用兩個信號量才能解決的只有子線程結束了對輸入的處理和統計后，主線程才能繼續執行的問題。
一、什么是互斥量
互斥量是另一種用于多線程中的同步訪問方法，它允許程序鎖住某個對象，使得每次只能有一個線程訪問它。為了控制對關鍵代碼的訪問，必須在進入這段代碼之前鎖住一個互斥量，然后在完成操作之后解鎖。
二、互斥量的函數的使用
它們的定義與使用信號量的函數非常相似，它們的定義如下： [cpp]?view plaincopyprint? #include?<pthread.h>?? int?pthread_mutex_init(pthread_mutex_t?*mutex,?const?pthread_mutexattr_t?*mutexattr);?? ?? int?pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t?*mutex);?? ?? int?pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t?*mutex);?? ?? int?pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t?*mutex);??
它們的意義就如它們的名字所示的那樣，成功時返回0，失敗時返回錯誤代碼，它們并不設置errno。
pthread_mutex_init函數中的參數mutexattr指定互斥量的屬性，在這里我們并不關心互斥量的屬性，所以把它設置為NULL，使用默認屬性即可。同樣的，pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock都是原子操作，如果一個線程調用pthread_mutex_lock試圖鎖住互斥量，而該互斥量，又被其他線程鎖住（占用），則該線程的pthread_mutex_lock調用就會阻塞，直到其他線程對該互斥量進行解鎖，該線程才能獲得該互斥量，pthread_mutex_lock調用才會返回。
注意，使用互斥量的默認屬性，如果程序試圖對一個已經加鎖的互斥量調用pthread_mutex_lock，程序就會阻塞，而又因為擁有互斥量的這個線程正是現在被阻塞的線程，所以這個互斥量就永遠不會被解鎖，也就是說，程序就會進入死鎖的狀態。在使用時要多加注意，確保在同一個線程中，對加鎖的互斥再次進行加鎖前要對其進行解鎖。
三、使用互斥量進行線程同步
下面以一個簡單的多線程程序來演示如何使用互斥量來進行線程同步。在主線程中，我們創建子線程，并把數組msg作為參數傳遞給子線程，然后主線程調用函數pthread_mutex_lock對互斥量加鎖，等待輸入，輸入完成后，調用函數pthread_mutex_unlock對互斥量解鎖，從而使線程函數中的對互斥量加鎖的pthread_mutex_lock函數返回并執行子線程中的代碼。線程函數在把字符串的小寫字母變成大寫并統計輸入的字符數量之后，它調用pthread_mutex_unlock對互斥量解鎖，使主線程能夠繼續獲得互斥量（即對其加鎖函數返回），再次執行輸入功能直到主線程再次調用pthread_mutex_unlock對其解鎖，一直如此重復，直到輸入end。
源文件為lockthread.c，源代碼如下： [cpp]?view plaincopyprint? #include?<unistd.h>?? #include?<pthread.h>?? #include?<stdlib.h>?? #include?<stdio.h>?? #include?<string.h>?? ?? ?? //聲明線程函數和互斥量?? void*?thread_func(void?*msg);?? pthread_mutex_t?mutex;?? ?? ?? #define?MSG_SIZE?512?? ?? ?? int?main()?? {?? ????int?res?=?-1;?? ????pthread_t?thread;?? ????void?*thread_result?=?NULL;?? ????char?msg[MSG_SIZE]?=?{'\0'};?? ????//初始化互斥量，使用默認的互斥量屬性?? ????res?=?pthread_mutex_init(&mutex,?NULL);?? ????if(res?!=?0)?? ????{?? ????????perror("pthread_mutex_init?failed\n");?? ????????exit(EXIT_FAILURE);?? ????}?? ????//創建子線程，并把msg作為線程函數的參數傳遞給thread_func?? ????res?=?pthread_create(&thread,?NULL,?thread_func,?msg);?? ????if(res?!=?0)?? ????{?? ????????perror("pthread_create?failed\n");?? ????????exit(EXIT_FAILURE);?? ????}?? ????//輸入字符串，以串‘end’結束?? ????printf("Input?some?test.?Enter?'end'?to?finish\n");?? ????//把互斥量mutex加鎖，以確保同一時間只有該線程可以訪問msg中的數據?? ????pthread_mutex_lock(&mutex);?? ????while(strcmp("end\n",?msg)?!=?0)?? ????{?? ????????if(strncmp("TEST",?msg,?4)?==?0)?? ????????{?? ????????????strcpy(msg,?"copy_data\n");?? ????????}?? ????????else?? ????????{?? ????????????fgets(msg,?MSG_SIZE,?stdin);?? ????????}?? ????????//把互斥量mutex解鎖，讓其他的線程可以訪問msg中的數據?? ????????pthread_mutex_unlock(&mutex);?? ????????sleep(1);//休眠1秒再繼續循環，讓其他線程有執行的機會?? ????????pthread_mutex_lock(&mutex);?? ????}?? ????pthread_mutex_unlock(&mutex);?? ????printf("\nWaiting?for?thread?finish...\n");?? ????//等待子線程結束?? ????res?=?pthread_join(thread,?&thread_result);?? ????if(res?!=?0)?? ????{?? ????????perror("pthread_join?failed\n");?? ????????exit(EXIT_FAILURE);?? ????}?? ????printf("Thread?joined\n");?? ????//清理互斥量?? ????pthread_mutex_destroy(&mutex);?? ????exit(EXIT_SUCCESS);?? }?? void*?thread_func(void?*msg)?? {?? ????int?i?=?0;?? ????char?*ptr?=?msg;?? ????sleep(1);?? ????//把互斥量mutex加鎖，以確保同一時間只有該線程可以訪問msg中的數據?? ????pthread_mutex_lock(&mutex);?? ????while(strcmp("end\n",?msg)?!=?0)?? ????{?? ????????//把小寫字母變成大寫?? ????????for(i?=?0;?ptr[i]?!=?'\0';?++i)?? ????????{?? ????????????if(ptr[i]?>=?'a'?&&?ptr[i]?<='z')?? ????????????{?? ????????????????ptr[i]?-=?'a'?-?'A';?? ????????????}?? ????????}?? ????????printf("You?input?%d?characters\n",?i-1);?? ????????printf("To?uppercase:?%s\n",?ptr);?? ????????//把互斥量mutex解鎖，讓其他的線程可以訪問msg中的數據?? ????????pthread_mutex_unlock(&mutex);?? ????????sleep(1);//休眠1秒再繼續循環，讓其他線程有執行的機會?? ????????pthread_mutex_lock(&mutex);?? ????}?? ????pthread_mutex_unlock(&mutex);?? ????//退出線程?? ????pthread_exit(NULL);?? }??
運行結果如下：
程序分析：
這個程序的工作流程已經說得非常清楚了，這里先來說說在main函數和線程函數thread_func中while循環中的sleep(1)語句的作用。可能很多人會認為這個sleep(1)是為了讓子線程完成其處理和統計功能，所以要讓主線程休眠1秒鐘來等待子線程的處理統計工作的完成。的確在這里子線程進行的工作十分簡單，1秒鐘內的確可以處理統計完畢。但是這里的sleep(1)并不是為了實現這個功能，這兩個循環中的sleep(1)是為了讓其他的線程有機會被執行到，如果在一次的加鎖和解鎖之間沒有這條語句的話，則當前的線程將會一直在循環中獲得互斥量，因為其他的線程沒有執行它的代碼的時間，所以就要用這樣的一條語句來給其他的線程一個運行的機會。如果子線程的執行時間超過1秒，這個程序還是會正常運行。
以這個例子來說，在主線程中，當輸入數據完畢并對互斥量解鎖之后，并不馬上循環對其加鎖，此時子線程就有了執行的機會，它會對互斥量進行加鎖，同樣地，當它處理統計完輸入的數據后，它在進入下一次循環前，也休眠1秒，讓主線程有機會再次運行。而主線程什么時候能夠執行，取決于子線程何時對互斥量進行解鎖。因為如果子線程擁有（鎖住）互斥量，則主線程中函數pthread_mutex_lock就不會返回，使主線程處于阻塞狀態。
換句話來說，就是只有子線程結束了對輸入的處理和統計后，主線程才能繼續執行，向msg中寫入數據。看到這里，你應該知道之前在使用信號量時，我們多用一個信號量也是為了達到這個目的。所以當我們輸入TEST時，程序有兩個輸入，但還是能正常運行，同樣解決了之前使用一個信號量時所帶來的問題。
信號量和互斥量的作用都是保護代碼段的互斥設備，它們也非常相似。但在本例中，與使用信號量相比，實現同樣的功能，如果使用信號量的話，則需要兩個信號量，而使用互斥量的話，只需要一個。可以說在本例中，使用互斥量更簡單。但是我覺得使用互斥量更容易犯錯，我們可以看到在這個例子中，我們需要使用sleep語句來讓其他線程獲得執行的機會，但是在使用信號量的程序，它并不需要使用sleep，相對來說比較直觀。我知道可能是我的實現方法不好，但是對于使用互斥量來說，我想了很久也想不到不使用sleep的方法。
undefined reference to 'pthread_create'
undefined reference to 'pthread_join'
問題解決：
??? 在編譯中要加 -lpthread參數
??? gcc thread.c -o thread -lpthread
??? thread.c為你些的源文件，不要忘了加上頭文件#include<pthread.h>
我自己的試驗例子 #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h>//聲明線程函數和互斥量 void* thread_func(void *msg); pthread_mutex_t mutex;#define MSG_SIZE 512int main() {int res = -1;pthread_t thread;void *thread_result = NULL;char msg[MSG_SIZE] = {'\0'};//初始化互斥量，使用默認的互斥量屬性res = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);if(res != 0){perror("pthread_mutex_init failed\n");exit(EXIT_FAILURE);}//創建子線程，并把msg作為線程函數的參數傳遞給thread_funcres = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);if(res != 0){perror("pthread_create failed\n");exit(EXIT_FAILURE);}//輸入字符串，以串‘end’結束printf("Input some test. Enter 'end' to finish\n");//把互斥量mutex加鎖，以確保同一時間只有該線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_lock(&mutex);while(strcmp("end\n", msg) != 0){if(strncmp("TEST", msg, 4) == 0)/*輸入的msg是TEST*/{printf("www=============================test1\n");strcpy(msg, "copy_data\n");}else/*輸入的msg不是TEST*/{printf("www=============================test2\n");fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);/*等待用戶輸入*/}//把互斥量mutex解鎖，讓其他的線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);//休眠1秒再繼續循環，讓其他線程有執行的機會pthread_mutex_lock(&mutex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);printf("\nWaiting for thread finish...\n");//等待子線程結束res = pthread_join(thread, &thread_result);if(res != 0){perror("pthread_join failed\n");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Thread joined\n");//清理互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);exit(EXIT_SUCCESS); } void* thread_func(void *msg)/*子線程的功能是把主線程的傳下來的字母變成大寫字母*/ {int i = 0;char *ptr = msg;sleep(1);//把互斥量mutex加鎖，以確保同一時間只有該線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_lock(&mutex);while(strcmp("end\n", msg) != 0){//把小寫字母變成大寫for(i = 0; ptr[i] != '\0'; ++i){if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <='z'){ptr[i] -= 'a' - 'A';}}printf("You input %d characters\n", i-1);printf("To uppercase: %s\n", ptr);//把互斥量mutex解鎖，讓其他的線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);//休眠1秒再繼續循環，讓其他線程有執行的機會pthread_mutex_lock(&mutex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);//退出線程pthread_exit(NULL); }
wqf@wqf-System-Product-Name:/worksen/lddexamples/muax$ gcc muax.c -o muax -lpthread wqf@wqf-System-Product-Name:/worksen/lddexamples/muax$ ./muax Input some test. Enter 'end' to finish www=============================test2 qqq You input 3 characters To uppercase: QQQwww=============================test2 TEST You input 4 characters To uppercase: TESTwww=============================test1 You input 9 characters To uppercase: COPY_DATAwww=============================test2 eee You input 3 characters To uppercase: EEEwww=============================test2 endWaiting for thread finish... Thread joined wqf@wqf-System-Product-Name:/worksen/lddexamples/muax$
一、什么是互斥量
互斥量是另一種用于多線程中的同步訪問方法，它允許程序鎖住某個對象，使得每次只能有一個線程訪問它。為了控制對關鍵代碼的訪問，必須在進入這段代碼之前鎖住一個互斥量，然后在完成操作之后解鎖。
二、互斥量的函數的使用
它們的定義與使用信號量的函數非常相似，它們的定義如下： [cpp]?view plaincopyprint?
pthread_mutex_init函數中的參數mutexattr指定互斥量的屬性，在這里我們并不關心互斥量的屬性，所以把它設置為NULL，使用默認屬性即可。同樣的，pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock都是原子操作，如果一個線程調用pthread_mutex_lock試圖鎖住互斥量，而該互斥量，又被其他線程鎖住（占用），則該線程的pthread_mutex_lock調用就會阻塞，直到其他線程對該互斥量進行解鎖，該線程才能獲得該互斥量，pthread_mutex_lock調用才會返回。
注意，使用互斥量的默認屬性，如果程序試圖對一個已經加鎖的互斥量調用pthread_mutex_lock，程序就會阻塞，而又因為擁有互斥量的這個線程正是現在被阻塞的線程，所以這個互斥量就永遠不會被解鎖，也就是說，程序就會進入死鎖的狀態。在使用時要多加注意，確保在同一個線程中，對加鎖的互斥再次進行加鎖前要對其進行解鎖。
三、使用互斥量進行線程同步
下面以一個簡單的多線程程序來演示如何使用互斥量來進行線程同步。在主線程中，我們創建子線程，并把數組msg作為參數傳遞給子線程，然后主線程調用函數pthread_mutex_lock對互斥量加鎖，等待輸入，輸入完成后，調用函數pthread_mutex_unlock對互斥量解鎖，從而使線程函數中的對互斥量加鎖的pthread_mutex_lock函數返回并執行子線程中的代碼。線程函數在把字符串的小寫字母變成大寫并統計輸入的字符數量之后，它調用pthread_mutex_unlock對互斥量解鎖，使主線程能夠繼續獲得互斥量（即對其加鎖函數返回），再次執行輸入功能直到主線程再次調用pthread_mutex_unlock對其解鎖，一直如此重復，直到輸入end。
源文件為lockthread.c，源代碼如下： [cpp]?view plaincopyprint?
程序分析：
這個程序的工作流程已經說得非常清楚了，這里先來說說在main函數和線程函數thread_func中while循環中的sleep(1)語句的作用。可能很多人會認為這個sleep(1)是為了讓子線程完成其處理和統計功能，所以要讓主線程休眠1秒鐘來等待子線程的處理統計工作的完成。的確在這里子線程進行的工作十分簡單，1秒鐘內的確可以處理統計完畢。但是這里的sleep(1)并不是為了實現這個功能，這兩個循環中的sleep(1)是為了讓其他的線程有機會被執行到，如果在一次的加鎖和解鎖之間沒有這條語句的話，則當前的線程將會一直在循環中獲得互斥量，因為其他的線程沒有執行它的代碼的時間，所以就要用這樣的一條語句來給其他的線程一個運行的機會。如果子線程的執行時間超過1秒，這個程序還是會正常運行。
以這個例子來說，在主線程中，當輸入數據完畢并對互斥量解鎖之后，并不馬上循環對其加鎖，此時子線程就有了執行的機會，它會對互斥量進行加鎖，同樣地，當它處理統計完輸入的數據后，它在進入下一次循環前，也休眠1秒，讓主線程有機會再次運行。而主線程什么時候能夠執行，取決于子線程何時對互斥量進行解鎖。因為如果子線程擁有（鎖住）互斥量，則主線程中函數pthread_mutex_lock就不會返回，使主線程處于阻塞狀態。
換句話來說，就是只有子線程結束了對輸入的處理和統計后，主線程才能繼續執行，向msg中寫入數據。看到這里，你應該知道之前在使用信號量時，我們多用一個信號量也是為了達到這個目的。所以當我們輸入TEST時，程序有兩個輸入，但還是能正常運行，同樣解決了之前使用一個信號量時所帶來的問題。
信號量和互斥量的作用都是保護代碼段的互斥設備，它們也非常相似。但在本例中，與使用信號量相比，實現同樣的功能，如果使用信號量的話，則需要兩個信號量，而使用互斥量的話，只需要一個。可以說在本例中，使用互斥量更簡單。但是我覺得使用互斥量更容易犯錯，我們可以看到在這個例子中，我們需要使用sleep語句來讓其他線程獲得執行的機會，但是在使用信號量的程序，它并不需要使用sleep，相對來說比較直觀。我知道可能是我的實現方法不好，但是對于使用互斥量來說，我想了很久也想不到不使用sleep的方法。
undefined reference to 'pthread_create'
undefined reference to 'pthread_join'
問題解決：
??? 在編譯中要加 -lpthread參數
??? gcc thread.c -o thread -lpthread
??? thread.c為你些的源文件，不要忘了加上頭文件#include<pthread.h>
我自己的試驗例子 #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <string.h>//聲明線程函數和互斥量 void* thread_func(void *msg); pthread_mutex_t mutex;#define MSG_SIZE 512int main() {int res = -1;pthread_t thread;void *thread_result = NULL;char msg[MSG_SIZE] = {'\0'};//初始化互斥量，使用默認的互斥量屬性res = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);if(res != 0){perror("pthread_mutex_init failed\n");exit(EXIT_FAILURE);}//創建子線程，并把msg作為線程函數的參數傳遞給thread_funcres = pthread_create(&thread, NULL, thread_func, msg);if(res != 0){perror("pthread_create failed\n");exit(EXIT_FAILURE);}//輸入字符串，以串‘end’結束printf("Input some test. Enter 'end' to finish\n");//把互斥量mutex加鎖，以確保同一時間只有該線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_lock(&mutex);while(strcmp("end\n", msg) != 0){if(strncmp("TEST", msg, 4) == 0)/*輸入的msg是TEST*/{printf("www=============================test1\n");strcpy(msg, "copy_data\n");}else/*輸入的msg不是TEST*/{printf("www=============================test2\n");fgets(msg, MSG_SIZE, stdin);/*等待用戶輸入*/}//把互斥量mutex解鎖，讓其他的線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);//休眠1秒再繼續循環，讓其他線程有執行的機會pthread_mutex_lock(&mutex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);printf("\nWaiting for thread finish...\n");//等待子線程結束res = pthread_join(thread, &thread_result);if(res != 0){perror("pthread_join failed\n");exit(EXIT_FAILURE);}printf("Thread joined\n");//清理互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);exit(EXIT_SUCCESS); } void* thread_func(void *msg)/*子線程的功能是把主線程的傳下來的字母變成大寫字母*/ {int i = 0;char *ptr = msg;sleep(1);//把互斥量mutex加鎖，以確保同一時間只有該線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_lock(&mutex);while(strcmp("end\n", msg) != 0){//把小寫字母變成大寫for(i = 0; ptr[i] != '\0'; ++i){if(ptr[i] >= 'a' && ptr[i] <='z'){ptr[i] -= 'a' - 'A';}}printf("You input %d characters\n", i-1);printf("To uppercase: %s\n", ptr);//把互斥量mutex解鎖，讓其他的線程可以訪問msg中的數據pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(1);//休眠1秒再繼續循環，讓其他線程有執行的機會pthread_mutex_lock(&mutex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);//退出線程pthread_exit(NULL); }
wqf@wqf-System-Product-Name:/worksen/lddexamples/muax$ gcc muax.c -o muax -lpthread wqf@wqf-System-Product-Name:/worksen/lddexamples/muax$ ./muax Input some test. Enter 'end' to finish www=============================test2 qqq You input 3 characters To uppercase: QQQwww=============================test2 TEST You input 4 characters To uppercase: TESTwww=============================test1 You input 9 characters To uppercase: COPY_DATAwww=============================test2 eee You input 3 characters To uppercase: EEEwww=============================test2 endWaiting for thread finish... Thread joined wqf@wqf-System-Product-Name:/worksen/lddexamples/muax$
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux多线程——使用互斥量同步线程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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