通用线程：POSIX 线程详解(2)

核心提示：第 2 部分 称作互斥对象的小玩意 作者:Daniel Robbins 内容： 互斥我吧！

　　第 2 部分
称作互斥对象的小玩意

作者:Daniel Robbins

内容：


互斥我吧！
解读一下
为什么要用互斥对象？
线程内幕 1
线程内幕 2
许多互斥对象
使用调用：初始化
使用调用：锁定
等待条件发生
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POSIX 线程是提高代码响应和性能的有力手段。在此三部分系列文章的第二篇中，Daniel Robbins 将说明，如何使用被称为互斥对象的灵巧小玩意，来保护线程代码中共享数据结构的完整性。

互斥我吧！
在前一篇文章中，谈到了会导致异常结果的线程代码。两个线程分别对同一个全局变量进行了二十次加一。变量的值最后应该是 40，但最终值却是 21。这是怎么回事呢？因为一个线程不停地“取消”了另一个线程执行的加一操作，所以产生这个问题。现在让我们来查看改正后的代码，它使用互斥对象(mutex)来解决该问题：

thread3.c
#include
#include
#include
#include

int myglobal;
pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_IN99vIALIZER;

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);

}



解读一下
假如将这段代码与前一篇文章中给出的版本作一个比较，就会注重到增加了 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 函数调用。在线程程序中这些调用执行了不可或缺的功能。他们提供了一种相互排斥的方法（互斥对象即由此得名）。两个线程不能同时对同一个互斥对象加锁。

互斥对象是这样工作的。假如线程 a 试图锁定一个互斥对象，而此时线程 b 已锁定了同一个互斥对象时，线程 a 就将进入睡眠状态。一旦线程 b 释放了互斥对象（通过 pthread_mutex_unlock() 调用），线程 a 就能够锁定这个互斥对象（换句话说，线程 a 就将从 pthread_mutex_lock() 函数调用中返回，同时互斥对象被锁定）。同样地，当线程 a 正锁定互斥对象时，假如线程 c 试图锁定互斥对象的话，线程 c 也将临时进入睡眠状态。对已锁定的互斥对象上调用 pthread_mutex_lock() 的所有线程都将进入睡眠状态，这些睡眠的线程将“排队”访问这个互斥对象。

通常使用 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 来保护数据结构。这就是说，通过线程的锁定和解锁，对于某一数据结构，确保某一时刻只能有一个线程能够访问它。可以推测到，当线程试图锁定一个未加锁的互斥对象时，POSIX 线程库将同意锁定，而不会使线程进入睡眠状态。


请看这幅轻松的漫画，四个小精灵重现了最近一次 pthread_mutex_lock() 调用的一个场面。



图中，锁定了互斥对象的线程能够存取复杂的数据结构，而不必担心同时会有其它线程干扰。那个数据结构实际上是“冻结”了，直到互斥对象被解锁为止。pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 函数调用，如同“在施工中”标志一样，将正在修改和读取的某一特定共享数据包围起来。这两个函数调用的作用就是警告其它线程，要它们继续睡眠并等待轮到它们对互斥对象加锁。当然，除非在每个对特定数据结构进行读写操作的语句前后，都分别放上 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutext_unlock() 调用，才会出现这种情况。

为什么要用互斥对象？
听上去很有趣，但究竟为什么要让线程睡眠呢？要知道，线程的主要优点不就是其具有独立工作、更多的时候是同时工作的能力吗？是的，确实是这样。然而，每个重要的线程程序都需要使用某些互斥对象。让我们再看一下示例程序以便理解原因所在。

请看 thread_function()，循环中一开始就锁定了互斥对象，最后才将它解锁。在这个示例程序中，mymutex 用来保护 myglobal 的值。仔细查看 thread_function()，加一代码把 myglobal 复制到一个局部变量，对局部变量加一，睡眠一秒钟，在这之后才把局部变量的值传回给 myglobal。不使用互斥对象时，即使主线程在 thread_function() 线程睡眠一秒钟期间内对 myglobal 加一，thread_function() 清醒后也会覆盖主线程所加的值。使用互斥对象能够保证这种情形不会发生。（您也许会想到，我增加了一秒钟延迟以触发不正确的结果。把局部变量的值赋给 myglobal 之前，实际上没有什么真正理由要求 thread_function() 睡眠一秒钟。）使用互斥对象的新程序产生了期望的结果：


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




为了进一步探索这个极为重要的概念，让我们看一看程序中进行加一操作的代码：


thread_function() 加一代码：
j=myglobal;
j=j+1;
printf(".");
fflush(stdout);
sleep(1);
myglobal=j;

主线程加一代码：
myglobal=myglobal+1;




假如代码是位于单线程程序中，可以预期 thread_function() 代码将完整执行。接下来才会执行主线程代码（或者是以相反的顺序执行）。在不使用互斥对象的线程程序中，代码可能（几乎是，由于调用了 sleep() 的缘故）以如下的顺序执行：


thread_function() 线程 主线程

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




当代码以此特定顺序执行时，将覆盖主线程对 myglobal 的修改。程序结束后，就将得到不正确的值。假如是在操纵指针的话，就可能产生段错误。注重到 thread_function() 线程按顺序执行了它的所有指令。看来不象是 thread_function() 有什么次序颠倒。问题是，同一时间内，另一个线程对同一数据结构进行了另一个修改。

线程内幕 1
在解释如何确定在何处使用互斥对象之前，先来深入了解一下线程的内部工作机制。请看第一个例子：

假设主线程将创建三个新线程：线程 a、线程 b 和线程 c。假定首先创建线程 a，然后是线程 b，最后创建线程 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);




在第一个 pthread_create() 调用完成后，可以假定线程 a 不是已存在就是已结束并停止。第二个 pthread_create() 调用后，主线程和线程 b 都可以假定线程 a 存在（或已停止）。

然而，就在第二个 create() 调用返回后，主线程无法假定是哪一个线程（a 或 b）会首先开始运行。虽然两个线程都已存在，线程 CPU 时间片的分配取决于内核和线程库。至于谁将首先运行，并没有严格的规则。尽管线程 a 更有可能在线程 b 之前开始执行，但这并无保证。对于多处理器系统，情况更是如此。假如编写的代码假定在线程 b 开始执行之前实际上执行线程 a 的代码，那么，程序最终正确运行的概率是 99%。或者更糟糕，程序在您的机器上 100% 地正确运行，而在您客户的四处理器服务器上正确运行的概率却是零。

从这个例子还可以得知，线程库保留了每个单独线程的代码执行顺序。换句话说，实际上那三个 pthread_create() 调用将按它们出现的顺序执行。从主线程上来看，所有代码都是依次执行的。有时，可以利用这一点来优化部分线程程序。例如，在上例中，线程 c 就可以假定线程 a 和线程 b 不是正在运行就是已经终止。它不必担心存在还没有创建线程 a 和线程 b 的可能性。可以使用这一逻辑来优化线程程序。


线程内幕 2
现在来看另一个假想的例子。假设有许多线程，他们都正在执行下列代码