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解锁Linux多线程编程的技巧——掌握线程锁的使用方法

作者: 良许 904阅读 0评论

多线程编程是现代编程中不可或缺的一部分，可以提高程序的性能和响应速度。然而在Linux系统下，多线程编程的实现却比较复杂，特别是对于线程锁的使用和管理，更是需要我们细致的掌握。

在编程中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为” 互斥锁” 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。Linux实现的互斥锁机制包括POSIX互斥锁和内核互斥锁，本文主要讲POSIX互斥锁，即线程间互斥锁。

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作(大家都在sem_wait的时候，就阻塞在 那里)。而互斥锁是用在多线程多任务互斥的，一个线程占用了某一个资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程unlock，其他的线程才开始可以利用这 个资源。比如对全局变量的访问，有时要加锁，操作完了，在解锁。有的时候锁和信号量会同时使用的”

也就是说，信号量不一定是锁定某一个资源，而是 流程上的概念，比如：有A,B两个线程，B线程要等A线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算 或者数据处理之类。而线程互斥量则是“锁住某一资源”的概念，在锁定期间内，其他线程无法对被保护的数据进行操作。在有些情况下两者可以互换。

两者之间的区别:

作用域

信号量 : 进程间或线程间(linux仅线程间)

互斥锁 : 线程间

上锁时

信号量 : 只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait阻塞，直到sem_post释放后value值加一。一句话，信号量的value>=0 。

互斥锁 : 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁，获得资源成功，否则进行阻塞等待资源可用。一句话，线程互斥锁的vlaue可以为负数 。

多线程

线程是计算机中独立运行的最小单位，运行时占用很少的系统资源。与多进程相比，多进程具有多进程不具备的一些优点，其最重要的是：对于多线程来说，其能够比多进程更加节省资源。

线程创建

在Linux中，新建的线程并不是在原先的进程中，而是系统通过一个系统调用clone()。该系统copy了一个和原先进程完全一样的进程，并在这个进程中执行线程函数。

在Linux中，通过函数pthread_create()函数实现线程的创建：

pthread_create()

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*st 

其中：

thread表示的是一个pthread_t类型的指针;

attr用于指定线程的一些属性;

start_routine表示的是一个函数指针，该函数是线程调用函数;

arg表示的是传递给线程调用函数的参数。

当线程创建成功时，函数pthread_create()返回0，若返回值不为0则表示创建线程失败。对于线程的属性，则在结构体pthread_attr_t中定义。

线程创建的过程如下所示：

#include  
#include  
#include  
#include  
 
void* thread(void *id){ 
   pthread_t newthid; 
 
   newthid = pthread_self(); 
   printf("this is a new thread, thread ID is %u\n", newthid); 
   return NULL; 
} 
 
int main(){ 
 int num_thread = 5; 
 pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread); 
 
 printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self()); 
 for (int i = 0; i if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, NULL) != 0){ 
          printf("thread create failed!\n"); 
          return 1; 
       } 
 } 
 sleep(2); 
 free(pt); 
 return 0; 
} 

在上述代码中，使用到了pthread_self()函数，该函数的作用是获取本线程的线程ID。在主函数中的sleep()用于将主进程处于等待状态，以让线程执行完成。最终的执行效果如下所示：

Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁
Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁

那么，如何利用arg向子线程传递参数呢?其具体的实现如下所示：

#include  
#include  
#include  
#include  
 
void* thread(void *id){ 
  pthread_t newthid; 
 
  newthid = pthread_self(); 
  int num = *(int *)id; 
  printf("this is a new thread, thread ID is %u,id:%d\n", newthid, num); 
  return NULL; 
} 

int main(){ 
  //pthread_t thid; 
  int num_thread = 5; 
  pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread); 
  int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread); 
 
  printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self()); 
  for (int i = 0; i if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){ 
        printf("thread create failed!\n"); 
        return 1; 
     } 
  } 
  sleep(2); 
  free(pt); 
  free(id); 
  return 0; 
} 

其最终的执行效果如下图所示：

Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁
Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁

如果在主进程提前结束，会出现什么情况呢?如下述的代码：

#include  
#include  
#include  
#include  
 
void* thread(void *id){ 
  pthread_t newthid; 
 
  newthid = pthread_self(); 
  int num = *(int *)id; 
  printf("this is a new thread, thread ID is %u,id:%d\n", newthid, num); 
  sleep(2); 
  printf("thread %u is done!\n", newthid); 
  return NULL; 
} 
 
int main(){ 
  //pthread_t thid; 
int num_thread = 5; 
  pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread); 
  int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread); 
 
  printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self()); 
  for (int i = 0; i if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){ 
        printf("thread create failed!\n"); 
        return 1; 
     } 
   } 
   //sleep(2); 
   free(pt); 
   free(id); 
   return 0; 
} 

此时，主进程提前结束，进程会将资源回收，此时，线程都将退出执行，运行结果如下所示：

Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁
Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁

线程挂起

在上述的实现过程中，为了使得主线程能够等待每一个子线程执行完成后再退出，使用了free()函数，在Linux的多线程中，也可以使用pthread_join()函数用于等待其他线程，函数的具体形式为：

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 

函数pthread_join()用来等待一个线程的结束，其调用这将被挂起。

一个线程仅允许一个线程使用pthread_join()等待它的终止。

如需要在主线程中等待每一个子线程的结束，如下述代码所示：

#include  
#include  
#include  
#include  
 
void* thread(void *id){ 
  pthread_t newthid; 
 
  newthid = pthread_self(); 
  int num = *(int *)id; 
  printf("this is a new thread, thread ID is %u,id:%d\n", newthid, num); 
 
  printf("thread %u is done\n", newthid); 
  return NULL; 
} 
int main(){ 
   int num_thread = 5; 
   pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread); 
   int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread); 
 
   printf("main thread, ID is %u\n", pthread_self()); 
   for (int i = 0; i if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){ 
         printf("thread create failed!\n"); 
         return 1; 
       } 
   } 
   for (int i = 0; i return 0; 
} 

最终的执行效果如下所示：

Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁
Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁

注：在编译的时候需要链接libpthread.a：

g++ xx.c -lpthread -o xx

互斥锁mutex

多线程的问题引入

多线程的最大的特点是资源的共享，但是，当多个线程同时去操作(同时去改变)一个临界资源时，会破坏临界资源。如利用多线程同时写一个文件：

#include  
#include  
 
const char filename[] = "hello"; 
 
void* thread(void *id){ 
  int num = *(int *)id; 
 
  // 写文件的操作 
  FILE *fp = fopen(filename, "a+"); 
  int start = *((int *)id); 
  int end = start + 1; 
  setbuf(fp, NULL);// 设置缓冲区的大小 
  fprintf(stdout, "%d\n", start); 
  for (int i = (start * 10); i "%d\t", i); 
  } 
  fprintf(fp, "\n"); 
  fclose(fp); 
  return NULL; 
} 
 
int main(){ 
   int num_thread = 5; 
   pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread); 
   int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread); 
 
   for (int i = 0; i if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){ 
         printf("thread create failed!\n"); 
         return 1; 
         } 
   } 
   for (int i = 0; i return 0; 
} 

执行以上的代码，我们会发现，得到的结果是混乱的，出现上述的最主要的原因是，我们在编写多线程代码的过程中，每一个线程都尝试去写同一个文件，这样便出现了上述的问题，这便是共享资源的同步问题，在Linux编程中，线程同步的处理方法包括：信号量，互斥锁和条件变量。

互斥锁

互斥锁是通过锁的机制来实现线程间的同步问题。互斥锁的基本流程为：

初始化一个互斥锁：pthread_mutex_init()函数

加锁：pthread_mutex_lock()函数或者pthread_mutex_trylock()函数

对共享资源的操作

解锁：pthread_mutex_unlock()函数

注销互斥锁：pthread_mutex_destory()函数

其中，在加锁过程中，pthread_mutex_lock()函数和pthread_mutex_trylock()函数的过程略有不同：

当使用pthread_mutex_lock()函数进行加锁时，若此时已经被锁，则尝试加锁的线程会被阻塞，直到互斥锁被其他线程释放，当pthread_mutex_lock()函数有返回值时，说明加锁成功;

而使用pthread_mutex_trylock()函数进行加锁时，若此时已经被锁，则会返回EBUSY的错误码。

同时，解锁的过程中，也需要满足两个条件：

解锁前，互斥锁必须处于锁定状态;

必须由加锁的线程进行解锁。

当互斥锁使用完成后，必须进行清除。

有了以上的准备，我们重新实现上述的多线程写操作，其实现代码如下所示：

#include  
#include  
 
pthread_mutex_t mutex; 
 
const char filename[] = "hello"; 
 
void* thread(void *id){ 
 
   int num = *(int *)id; 
   // 加锁 
 
   if (pthread_mutex_lock(&mutex) != 0){ 
     fprintf(stdout, "lock error!\n"); 
   } 
   // 写文件的操作 
   FILE *fp = fopen(filename, "a+"); 
   int start = *((int *)id); 
   int end = start + 1; 
   setbuf(fp, NULL);// 设置缓冲区的大小 
fprintf(stdout, "%d\n", start); 
   for (int i = (start * 10); i "%d\t", i); 
   } 
   fprintf(fp, "\n"); 
   fclose(fp); 
 
   // 解锁 
   pthread_mutex_unlock(&mutex); 
   return NULL; 
} 
 
int main(){ 
   int num_thread = 5; 
   pthread_t *pt = (pthread_t *)malloc(sizeof(pthread_t) * num_thread); 
   int * id = (int *)malloc(sizeof(int) * num_thread); 
 // 初始化互斥锁 
   if (pthread_mutex_init(&mutex, NULL) != 0){ 
     // 互斥锁初始化失败 
     free(pt); 
     free(id); 
     return 1; 
   } 
   for (int i = 0; i if (pthread_create(&pt[i], NULL, thread, &id[i]) != 0){ 
         printf("thread create failed!\n"); 
         return 1; 
      } 
   } 
   for (int i = 0; i return 0; 
} 

最终的结果为：

Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁
Linux之线程互斥锁Linux之线程互斥锁

本文详细讲解了Linux下多线程编程中线程锁的使用方法和技巧，包括互斥锁、读写锁、条件变量等，以及对于每种锁的优缺点和适用场景的介绍。同时，我们也探讨了一些常见的线程安全编程问题，如死锁、活锁和饥饿等，并给出了相应的解决方案。通过本文的学习，您将能够更好地运用线程锁解决多线程编程中的问题，提高程序的可靠性和稳定性。

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良许

作者: 良许

良许，世界500强企业Linux开发工程师，公众号【良许Linux】的作者，全网拥有超30W粉丝。个人标签：创业者，CSDN学院讲师，副业达人，流量玩家，摄影爱好者。
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