mutex_lock的简单介绍

《操作系统概念》笔记 临界区问题 - TSL & mutex lock

mutex lock是建立在操作系统给的特殊指令上的一种软件解决方法。

实际上就是test_and_set 以及 compare_and_swap 等指令的高级调用。当然，这里的test and set 和 compare and swap不是具体实现在某个平台的指令，只是抽象的定义了两类的指令。

如果不熟悉test and set的话，那么test and set指令的定义是这样的

当然，这只是定义，整个命令是作为一个atomic的指令的。

利用test and set命令来实现互斥是这个样子的:

lock 一开始被初始化为false，然后执行第一句while(tas(lock)) 的时候

会发生两件事情，第一个就是这句话本身结果是false，这样就允许该线程接着往下执行进入临界区，第二个是这句话将lock赋值成true。

而当lock 取true值的时候，第二个线程如果执行第一句while(tas(lock))的话，会无限循环busy waiting。就进不了临界区，直到第一个线程将lock 设置为false。 那个时候第一个线程也就已经离开临界区了，就达到了互斥的效果。

compare_and_swap的指令定义如下:

使用cas命令的互斥:

cas命令的分析也不难。

以上两个是操作系统提供的硬件的解决方法。但很可惜的是，用户程序一般不用汇编开发。所以类似于pthread ，windows都会提供软件上的解决方法。

最直接的思路就是mutex lock：在进入临界区之前应当获得一个lock，其他没有lock的线程就进入不了临界区，离开临界区应该释放掉这个lock，以便其他线程获得lock。

lock 的两个动作 ---获得，释放的定义如下:

要注意的是，acquire和release都是atomic的。

看到acquire的定义的时候是不是感觉到了一股既视感？回想一下tas里，第一句while执行的时候的两个动作，我们将lock 从 false变成 true，我们

tas指令返回false，从而使得while空循环不执行。

在这里，available默认为true，从而使得while空循环不执行，然后我们将available从true变成了false。

把lock 看成 (!available)，我们知道tas固定设置lock = true ，也就是available = false;

这里用tas实现一下acquire :

tas(lock)返回false，进入临界区，同时lock = true 阻碍了其他进程进入临界区。

但是因为tas命令只能实现lock = true 也就是available = false，所以我们无法用它来实现release，这个时候就可以用cas命令

而release实现如下:

当lock = false 的时候，我们将他改变成true。

于是我们现在有了TSL和mutex lock了。

Linux 多线程编程(二)2019-08-10

三种专门用于线程同步的机制:POSIX信号量,互斥量和条件变量.

在Linux上信号量API有两组,一组是System V IPC信号量,即PV操作,另外就是POSIX信号量,POSIX信号量的名字都是以sem_开头.

phshared参数指定信号量的类型,若其值为0,就表示这个信号量是当前进程的局部信号量,否则该信号量可以在多个进程之间共享.value值指定信号量的初始值,一般与下面的sem_wait函数相对应.

其中比较重要的函数sem_wait函数会以原子操作的方式将信号量的值减一,如果信号量的值为零,则sem_wait将会阻塞,信号量的值可以在sem_init函数中的value初始化;sem_trywait函数是sem_wait的非阻塞版本;sem_post函数将以原子的操作对信号量加一,当信号量的值大于0时,其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒.

这些函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno.

生产者消费者模型:

生产者对应一个信号量:sem_t producer;

消费者对应一个信号量:sem_t customer;

sem_init(producer,2)----生产者拥有资源,可以工作;

sem_init(customer,0)----消费者没有资源,阻塞;

在访问公共资源前对互斥量设置（加锁），确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问完成后再释放（解锁）互斥量.

互斥锁的运行方式:串行访问共享资源;

信号量的运行方式:并行访问共享资源;

互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥量之前，必须使用pthread_mutex_init函数对它进行初始化，注意，使用完毕后需调用pthread_mutex_destroy.

pthread_mutex_init用于初始化互斥锁，mutexattr用于指定互斥锁的属性，若为NULL，则表示默认属性。除了用这个函数初始化互斥所外，还可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

pthread_mutex_destroy用于销毁互斥锁，以释放占用的内核资源，销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock以原子操作给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被加锁，则pthread_mutex_lock则被阻塞，直到该互斥锁占有者把它给解锁.

pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock类似，不过它始终立即返回，而不论被操作的互斥锁是否加锁，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock进行加锁操作；否则将返回EBUSY错误码。注意：这里讨论的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是针对普通锁而言的，对于其他类型的锁，这两个加锁函数会有不同的行为.

pthread_mutex_unlock以原子操作方式给一个互斥锁进行解锁操作。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的一个将获得它.

三个打印机轮流打印:

输出结果:

如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话,那么条件变量就是用于在线程之间同步共享数据的值.条件变量提供了一种线程之间通信的机制:当某个共享数据达到某个值时,唤醒等待这个共享数据的线程.

条件变量会在条件不满足的情况下阻塞线程.且条件变量和互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生.

其中pthread_cond_broadcast函数以广播的形式唤醒所有等待目标条件变量的线程,pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量线程.但有时候我们可能需要唤醒一个固定的线程,可以通过间接的方法实现:定义一个能够唯一标识目标线程的全局变量,在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程,然后采用广播的方式唤醒所有等待的线程,这些线程被唤醒之后都检查该变量以判断是否是自己.

采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:

运行结果:

阻塞队列+生产者消费者

运行结果:

pthread_mutex_lock,为什么下面的程序没有产生死锁呢???

循环等待其实是这样的：检查条件满不满足，不满足就解锁，然后等，等到了要检测的时候，又上锁，然后检查，不满足就解锁。

也就是说，进了pthread_cond_wait函数以后，它就释放了lock，然后在has_product上等待，等到has_product被触发了，就再上锁，然后出函数。你的消费者线程调用了pthread_cond_wait以后，就释放了锁，然后这个函数不返回（这个函数不返回你的代码就不会运行下去），等到has_product触发了，这个函数就获取锁，然后返回。

再解释一下，就是调用这个函数之前，你这个线程是拿到锁的；出了这个函数，你的线程也还是拿到锁的；但是进了这个函数还没出来的过程中，你的线程会释放锁。