使用互斥锁实现线程同步

在《线程同步机制》一节讲到，实现多线程同步的常用方法有 4 种，互斥锁是其中最简单也最有效地的方法。本节，我们就为您详细讲解互斥锁的具体用法。

互斥锁实现多线程同步的核心思想是：有线程访问进程空间中的公共资源时，该线程执行“加锁”操作（将资源“锁”起来），阻止其它线程访问。访问完成后，该线程负责完成“解锁”操作，将资源让给其它线程。当有多个线程想访问资源时，谁最先完成“加锁”操作，谁就最先访问资源。

当有多个线程想访问“加锁”状态下的公共资源时，它们只能等待资源“解锁”，所有线程会排成一个等待（阻塞）队列。资源解锁后，操作系统会唤醒等待队列中的所有线程，第一个访问资源的线程会率先将资源“锁”起来，其它线程则继续等待。

本质上，互斥锁就是一个全局变量，它只有 "lock" 和 "unlock" 两个值，含义分别是：

• "unlock" 表示当前资源可以访问，第一个访问资源的线程负责将互斥锁的值改为 "lock"，访问完成后再重置为“unlock”；
• "lock" 表示有线程正在访问资源，其它线程需等待互斥锁的值为 "unlock" 后才能开始访问。

通过对资源进行 "加锁（lock）"和 "解锁（unlock）"，可以确保同一时刻最多有 1 个线程访问该资源，从根本上避免了“多线程抢夺资源”的情况发生。

再次强调，对资源进行“加锁”和“解锁”操作的必须是同一个线程。换句话说，哪个线程对资源执行了“加锁”操作，那么“解锁”操作也必须由该线程负责。

互斥锁的用法

POSIX 标准规定，用 pthread_mutex_t 类型的变量来表示一个互斥锁，该类型以结构体的形式定义在<pthread.h>头文件中。举个例子：

我们成功地定义了一个名为 myMutex 的互斥锁，但要想使用它，还要进行初始化操作。

1) 互斥锁的初始化

初始化 pthread_mutex_t 变量的方式有两种，分别为：

以上两种初始化方式是完全等价的，PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏和 pthread_mutex_init() 函数都定义在 <pthread.h> 头文件中，它们的主要区别在于：

• pthread_mutex_init() 函数可以自定义互斥锁的属性（具体自定义的方法，这里不再进行讲解）。
• 对于调用 malloc() 函数分配动态内存的互斥锁，只能以第 2 种方法完成初始化；

pthread_mutex_init() 函数专门用于初始化互斥锁，语法格式如下：

mutex 参数表示要初始化的互斥锁；attr 参数用于自定义新建互斥锁的属性，attr 的值为 NULL 时表示以默认属性创建互斥锁。

pthread_mutex_init() 函数成功完成初始化操作时，返回数字 0；如果初始化失败，函数返回非零数。

注意，不能对一个已经初始化过的互斥锁再进行初始化操作，否则会导致程序出现无法预料的错误。

2) 互斥锁的“加锁”和“解锁”

对于互斥锁的“加锁”和“解锁”操作，常用的函数有以下 3 种：

参数 mutex 表示我们要操控的互斥锁。函数执行成功时返回数字 0，否则返回非零数。

pthread_mutex_unlock() 函数用于对指定互斥锁进行“解锁”操作，pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_trylock() 函数都用于实现“加锁”操作，不同之处在于当互斥锁已经处于“加锁”状态时：

• 执行 pthread_mutex_lock() 函数会使线程进入等待（阻塞）状态，直至互斥锁得到释放；
• 执行 pthread_mutex_trylock() 函数不会阻塞线程，直接返回非零数（表示加锁失败）。

3) 互斥锁的销毁

对于使用动态内存创建的互斥锁，例如：

手动释放 myMutex 占用的内存（调用 free() 函数）之前，必须先调用 pthread_mutex_destory() 函数销毁该对象。

pthread_mutex_destory() 函数用于销毁创建好的互斥锁，语法格式如下：

参数 mutex 表示要销毁的互斥锁。如果函数成功销毁指定的互斥锁，返回数字 0，反之返回非零数。

注意，对于用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 或者 pthread_mutex_init() 函数直接初始化的互斥锁，无需调用 pthread_mutex_destory() 函数手动销毁。

互斥锁的实际应用

接下来，我们使用互斥锁对《线程同步机制》一节中模拟“4 个售票员卖 10 张票”的程序进行改良，如下所示：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
int ticket_sum = 10;
//创建互斥锁
pthread_mutex_t myMutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
//模拟售票员卖票
void *sell_ticket(void *arg) {
    //输出当前执行函数的线程 ID
    printf("当前线程ID：%u\n", pthread_self());
    int i;
    int islock = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        //当前线程“加锁”
        islock = pthread_mutex_lock(&myMutex);
        //如果“加锁”成功，执行如下代码
        if (islock == 0) {
            //如果票数 >0 ,开始卖票
            if (ticket_sum > 0)
            {
                sleep(1);
                printf("%u 卖第 %d 张票\n", pthread_self(), 10 - ticket_sum + 1);
                ticket_sum--;
            }
            //当前线程模拟完卖票过程，执行“解锁”操作
            pthread_mutex_unlock(&myMutex);
        }
    }
    return 0;
}
int main() {
    int flag;
    int i;
    void *ans;
    //创建 4 个线程，模拟 4 个售票员
    pthread_t tids[4];
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        flag = pthread_create(&tids[i], NULL, &sell_ticket, NULL);
        if (flag != 0) {
            printf("线程创建失败!");
            return 0;
        }
    }
    sleep(10);   //等待 4 个线程执行完成
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        //阻塞主线程，确认 4 个线程执行完成
        flag = pthread_join(tids[i], &ans);
        if (flag != 0) {
            printf("tid=%d 等待失败！", tids[i]);
            return 0;
        }
    }
    return 0;
}

假设程序编写在 thread.c 文件中，执行过程为：

程序中共创建了 4 个线程，每个线程“开始卖票”前都会进行“加锁”操作（第 17 行），“卖票结束”后再执行“解锁”操作（第 28 行）。通过执行结果可以看到，互斥锁很好地解决了“线程间竞争资源”的问题，实现了线程同步。