通用線程：POSIX 線程詳解，第 2部分——稱作互斥對象的小玩意

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Daniel Robbins (drobbins@gentoo.org), 總裁/CEO, Gentoo Technologies, Inc.

2000 年 8 月 01 日

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POSIX 線程是提高代碼響應和性能的有力手段。在此三部分系列文章的第二篇中，Daniel Robbins 將說明，如何使用被稱為互斥對象的靈巧小玩意，來保護線程代碼中共享數據結構的完整性。

互斥我吧！

在 前一篇文章中 ，談到了會導致異常結果的線程代碼。兩個線程分別對同一個全局變量進行了二十次加一。變量的值最后應該是40，但最終值卻是21。這是怎么回事呢？因為一個線程不停地“取消”了另一個線程執行的加一操作，所以產生這個問題。現在讓我們來查看改正后的代碼，它使用 互斥對象(mutex)來解決該問題：

thread3.c

#include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int myglobal; pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void *thread_function(void *arg) { int i,j; for ( i=0; i<20; i++) { pthread_mutex_lock(&mymutex); j=myglobal; j=j+1; printf("."); fflush(stdout); sleep(1); myglobal=j; pthread_mutex_unlock(&mymutex); } return NULL; } int main(void) { pthread_t mythread; int i; if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) { printf("error creating thread."); abort(); } for ( i=0; i<20; i++) { pthread_mutex_lock(&mymutex); myglobal=myglobal+1; pthread_mutex_unlock(&mymutex); printf("o"); fflush(stdout); sleep(1); } if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) { printf("error joining thread."); abort(); } printf("\nmyglobal equals %d\n",myglobal); exit(0); }

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解讀一下

如果將這段代碼與 前一篇文章 中給出的版本作一個比較，就會注意到增加了pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock()函數調用。在線程程序中這些調用執行了不可或缺的功能。他們提供了一種 相互排斥的方法（互斥對象即由此得名）。兩個線程不能同時對同一個互斥對象加鎖。

互斥對象是這樣工作的。如果線程 a試圖鎖定一個互斥對象，而此時線程 b 已鎖定了同一個互斥對象時，線程 a就將進入睡眠狀態。一旦線程 b 釋放了互斥對象（通過pthread_mutex_unlock() 調用），線程 a就能夠鎖定這個互斥對象（換句話說，線程 a 就將從pthread_mutex_lock()函數調用中返回，同時互斥對象被鎖定）。同樣地，當線程 a正鎖定互斥對象時，如果線程 c 試圖鎖定互斥對象的話，線程 c也將臨時進入睡眠狀態。對已鎖定的互斥對象上調用 pthread_mutex_lock()的所有線程都將進入睡眠狀態，這些睡眠的線程將“排隊”訪問這個互斥對象。

通常使用 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock()來保護數據結構。這就是說，通過線程的鎖定和解鎖，對于某一數據結構，確保某一時刻只能有一個線程能夠訪問它。可以推測到，當線程試圖鎖定一個未加鎖的互斥對象時，POSIX線程庫將同意鎖定，而不會使線程進入睡眠狀態。

請看這幅輕松的漫畫，四個小精靈重現了最近一次 pthread_mutex_lock() 調用的一個場面。

圖中，鎖定了互斥對象的線程能夠存取復雜的數據結構，而不必擔心同時會有其它線程干擾。那個數據結構實際上是“凍結”了，直到互斥對象被解鎖為止。pthread_mutex_lock()和 pthread_mutex_unlock()函數調用，如同“在施工中”標志一樣，將正在修改和讀取的某一特定共享數據包圍起來。這兩個函數調用的作用就是警告其它線程，要它們繼續睡眠并等待輪到它們對互斥對象加鎖。當然，除非在 每個 對特定數據結構進行讀寫操作的語句前后，都分別放上pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutext_unlock()調用，才會出現這種情況。

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為什么要用互斥對象？

聽上去很有趣，但究竟為什么要讓線程睡眠呢？要知道，線程的主要優點不就是其具有獨立工作、更多的時候是同時工作的能力嗎？是的，確實是這樣。然而，每個重要的線程程序都需要使用某些互斥對象。讓我們再看一下示例程序以便理解原因所在。

請看thread_function()，循環中一開始就鎖定了互斥對象，最后才將它解鎖。在這個示例程序中，mymutex用來保護 myglobal 的值。仔細查看 thread_function()，加一代碼把myglobal復制到一個局部變量，對局部變量加一，睡眠一秒鐘，在這之后才把局部變量的值傳回給myglobal。不使用互斥對象時，即使主線程在 thread_function()線程睡眠一秒鐘期間內對 myglobal 加一，thread_function()蘇醒后也會覆蓋主線程所加的值。使用互斥對象能夠保證這種情形不會發生。（您也許會想到，我增加了一秒鐘延遲以觸發不正確的結果。把局部變量的值賦給myglobal 之前，實際上沒有什么真正理由要求 thread_function()睡眠一秒鐘。）使用互斥對象的新程序產生了期望的結果：

$ ./thread3 o..o..o.o..o..o.o.o.o.o..o..o..o.ooooooo myglobal equals 40

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為了進一步探索這個極為重要的概念，讓我們看一看程序中進行加一操作的代碼：

thread_function() 加一代碼： j=myglobal; j=j+1; printf("."); fflush(stdout); sleep(1); myglobal=j; 主線程加一代碼： myglobal=myglobal+1;

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如果代碼是位于單線程程序中，可以預期 thread_function()代碼將完整執行。接下來才會執行主線程代碼（或者是以相反的順序執行）。在不使用互斥對象的線程程序中，代碼可能（幾乎是，由于調用了sleep() 的緣故）以如下的順序執行：

thread_function() 線程 主線程 j=myglobal; j=j+1; printf("."); fflush(stdout); sleep(1); myglobal=myglobal+1; myglobal=j;

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當代碼以此特定順序執行時，將覆蓋主線程對 myglobal的修改。程序結束后，就將得到不正確的值。如果是在操縱指針的話，就可能產生段錯誤。注意到thread_function() 線程按順序執行了它的所有指令。看來不象是thread_function()有什么次序顛倒。問題是，同一時間內，另一個線程對同一數據結構進行了另一個修改。

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線程內幕 1

在解釋如何確定在何處使用互斥對象之前，先來深入了解一下線程的內部工作機制。請看第一個例子：

假設主線程將創建三個新線程：線程 a、線程 b 和線程c。假定首先創建線程 a，然后是線程 b，最后創建線程 c。

pthread_create( &thread_a, NULL, thread_function, NULL); pthread_create( &thread_b, NULL, thread_function, NULL); pthread_create( &thread_c, NULL, thread_function, NULL);

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在第一個 pthread_create() 調用完成后，可以假定線程 a不是已存在就是已結束并停止。第二個 pthread_create()調用后，主線程和線程 b 都可以假定線程 a 存在（或已停止）。

然而，就在第二個 create()調用返回后，主線程無法假定是哪一個線程（a 或b）會首先開始運行。雖然兩個線程都已存在，線程 CPU時間片的分配取決于內核和線程庫。至于誰將首先運行，并沒有嚴格的規則。盡管線程a 更有可能在線程 b之前開始執行，但這并無保證。對于多處理器系統，情況更是如此。如果編寫的代碼假定在線程b 開始執行之前實際上執行線程 a的代碼，那么，程序最終正確運行的概率是99%。或者更糟糕，程序在您的機器上 100%地正確運行，而在您客戶的四處理器服務器上正確運行的概率卻是零。

從這個例子還可以得知，線程庫保留了每個單獨線程的代碼執行順序。換句話說，實際上那三個pthread_create()調用將按它們出現的順序執行。從主線程上來看，所有代碼都是依次執行的。有時，可以利用這一點來優化部分線程程序。例如，在上例中，線程c 就可以假定線程 a 和線程 b不是正在運行就是已經終止。它不必擔心存在還沒有創建線程 a 和線程 b的可能性。可以使用這一邏輯來優化線程程序。

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線程內幕 2

現在來看另一個假想的例子。假設有許多線程，他們都正在執行下列代碼：

myglobal=myglobal+1;

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那么，是否需要在加一操作語句前后分別鎖定和解鎖互斥對象呢？也許有人會說“不”。編譯器極有可能把上述賦值語句編譯成一條機器指令。大家都知道，不可能"半途"中斷一條機器指令。即使是硬件中斷也不會破壞機器指令的完整性。基于以上考慮，很可能傾向于完全省略pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock()調用。不要這樣做。

我在說廢話嗎？不完全是這樣。首先，不應該假定上述賦值語句一定會被編譯成一條機器指令，除非親自驗證了機器代碼。即使插入某些內嵌匯編語句以確保加一操作的完整執行――甚至，即使是自己動手寫編譯器！--仍然可能有問題。

答案在這里。使用單條內嵌匯編操作碼在單處理器系統上可能不會有什么問題。每個加一操作都將完整地進行，并且多半會得到期望的結果。但是多處理器系統則截然不同。在多CPU機器上，兩個單獨的處理器可能會在幾乎同一時刻（或者，就在同一時刻）執行上述賦值語句。不要忘了，這時對內存的修改需要先從L1 寫入 L2 高速緩存、然后才寫入主存。（SMP機器并不只是增加了處理器而已；它還有用來仲裁對 RAM存取的特殊硬件。）最終，根本無法搞清在寫入主存的競爭中，哪個 CPU將會"勝出"。要產生可預測的代碼，應使用互斥對象。互斥對象將插入一道"內存關卡"，由它來確保對主存的寫入按照線程鎖定互斥對象的順序進行。

考慮一種以 32 位塊為單位更新主存的 SMP體系結構。如果未使用互斥對象就對一個 64位整數進行加一操作，整數的最高 4 位字節可能來自一個 CPU，而其它 4個字節卻來自另一CPU。糟糕吧！最糟糕的是，使用差勁的技術，您的程序在重要客戶的系統上有可能不是很長時間才崩潰一次，就是早上三點鐘就崩潰。DavidR. Butenhof 在他的《POSIX 線程編程》（請參閱本文末尾的 參考資料部分）一書中，討論了由于未使用互斥對象而將產生的種種情況。

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許多互斥對象

如果放置了過多的互斥對象，代碼就沒有什么并發性可言，運行起來也比單線程解決方案慢。如果放置了過少的互斥對象，代碼將出現奇怪和令人尷尬的錯誤。幸運的是，有一個中間立場。首先，互斥對象是用于串行化存取*共享數據*。不要對非共享數據使用互斥對象，并且，如果程序邏輯確保任何時候都只有一個線程能存取特定數據結構，那么也不要使用互斥對象。

其次，如果要使用共享數據，那么在讀、寫共享數據時都應使用互斥對象。用pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock()把讀寫部分保護起來，或者在程序中不固定的地方隨機使用它們。學會從一個線程的角度來審視代碼，并確保程序中每一個線程對內存的觀點都是一致和合適的。為了熟悉互斥對象的用法，最初可能要花好幾個小時來編寫代碼，但是很快就會習慣并且*也*不必多想就能夠正確使用它們。

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使用調用：初始化

現在該來看看使用互斥對象的各種不同方法了。讓我們從初始化開始。在 thread3.c示例 中，我們使用了靜態初始化方法。這需要聲明一個pthread_mutex_t 變量，并賦給它常數 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：

pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

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很簡單吧。但是還可以動態地創建互斥對象。當代碼使用 malloc()分配一個新的互斥對象時，使用這種動態方法。此時，靜態初始化方法是行不通的，并且應當使用例程pthread_mutex_init()：

int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *mymutex, const pthread_mutexattr_t *attr)

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正如所示，pthread_mutex_init接受一個指針作為參數以初始化為互斥對象，該指針指向一塊已分配好的內存區。第二個參數，可以接受一個可選的pthread_mutexattr_t指針。這個結構可用來設置各種互斥對象屬性。但是通常并不需要這些屬性，所以正常做法是指定NULL。

一旦使用 pthread_mutex_init() 初始化了互斥對象，就應使用pthread_mutex_destroy() 消除它。pthread_mutex_destroy()接受一個指向 pthread_mutext_t的指針作為參數，并釋放創建互斥對象時分配給它的任何資源。請注意，pthread_mutex_destroy() 不會 釋放用來存儲 pthread_mutex_t的內存。釋放自己的內存完全取決于您。還必須注意一點，pthread_mutex_init()和 pthread_mutex_destroy() 成功時都返回零。

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使用調用：鎖定

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)

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pthread_mutex_lock()接受一個指向互斥對象的指針作為參數以將其鎖定。如果碰巧已經鎖定了互斥對象，調用者將進入睡眠狀態。函數返回時，將喚醒調用者（顯然）并且調用者還將保留該鎖。函數調用成功時返回零，失敗時返回非零的錯誤代碼。

pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

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pthread_mutex_unlock() 與 pthread_mutex_lock()相配合，它把線程已經加鎖的互斥對象解鎖。始終應該盡快對已加鎖的互斥對象進行解鎖（以提高性能）。并且絕對不要對您未保持鎖的互斥對象進行解鎖操作（否則，pthread_mutex_unlock()調用將失敗并帶一個非零的 EPERM 返回值）。

pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)

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當線程正在做其它事情的時候（由于互斥對象當前是鎖定的），如果希望鎖定互斥對象，這個調用就相當方便。調用pthread_mutex_trylock()時將嘗試鎖定互斥對象。如果互斥對象當前處于解鎖狀態，那么您將獲得該鎖并且函數將返回零。然而，如果互斥對象已鎖定，這個調用也不會阻塞。當然，它會返回非零的EBUSY 錯誤值。然后可以繼續做其它事情，稍后再嘗試鎖定。

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等待條件發生

互斥對象是線程程序必需的工具，但它們并非萬能的。例如，如果線程正在等待共享數據內某個條件出現，那會發生什么呢？代碼可以反復對互斥對象鎖定和解鎖，以檢查值的任何變化。同時，還要快速將互斥對象解鎖，以便其它線程能夠進行任何必需的更改。這是一種非常可怕的方法，因為線程需要在合理的時間范圍內頻繁地循環檢測變化。

在每次檢查之間，可以讓調用線程短暫地進入睡眠，比如睡眠三秒鐘，但是因此線程代碼就無法最快作出響應。真正需要的是這樣一種方法，當線程在等待滿足某些條件時使線程進入睡眠狀態。一旦條件滿足，還需要一種方法以喚醒因等待滿足特定條件而睡眠的線程。如果能夠做到這一點，線程代碼將是非常高效的，并且不會占用寶貴的互斥對象鎖。這正是POSIX 條件變量能做的事！

而 POSIX條件變量將是我下一篇文章的主題，其中將說明如何正確使用條件變量。到那時，您將擁有了創建復雜線程程序所需的全部資源，那些線程程序可以模擬工作人員、裝配線等等。既然您已經越來越熟悉線程，我將在下一篇文章中加快進度。這樣，在下一篇文章的結尾就能放上一個相對復雜的線程程序。說到等到條件產生，下次再見！

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參考資料

• 您可以參閱本文在 developerWorks 全球站點上的 英文原文.

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• 請參閱 Linux 線程中的文檔，Sean Walton, KB7rfa

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• POSIX 線程 教程 ，MarkHays，亞里桑那大學

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• 在 Pthreads-Tcl介紹中，查看對 Tcl 的更改以使其能夠使用 POSIX 線程

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• 使用友好的 Linux pthread 在線幫助 ("man -k pthread")

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• 參考 LINUXPOSIX 和 DCE 線程主頁

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• 查看 LinuxThreads資料庫

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• Proolix ，一種簡單遵從POSIX 標準的操作系統，用于 i8086+，一直在開發中

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• 閱讀 David R. Butenhof 的著作 POSIX線程編程指南，書中討論了許多問題，其中談到不使用互斥對象是可能出現的種種情況

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• 查閱 W. Richard Stevens 的著作 UNIX 網絡編程：網絡 API：Sockets 和 XTI，第 1 卷

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關于作者

		Daniel Robbins 居住在新墨西哥州的 Albuquerque。他是 GentooTechnologies, Inc. 的總裁兼 CEO， Gentoo 項目的總設計師，多本MacMillan 出版書籍的作者，包括： Caldera OpenLinuxUnleashed、 SuSE Linux Unleashed和 SambaUnleashed 。Daniel自小學二年級起就與計算機結下不解之緣，那時他首先接觸的是 Logo程序語言，并沉溺于 Pac-Man 游戲中。這也許就是他至今仍擔任 SONYElectronic Publishing/Psygnosis 的首席圖形設計師的原因所在。Daniel喜歡與妻子 Mary 和剛出生的女兒 Hadassah 一起共渡時光。可通過 drobbins@gentoo.org 與 Daniel取得聯系。

轉載于:https://www.cnblogs.com/blueclue/articles/1749887.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的通用线程：POSIX 线程详解，第 2部分——称作互斥对象的小玩意的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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