互斥量mutex

概念：
多个线程对一个共享变量进行操控时，会引发数据不一致的问题。此时就引入了互斥量（也叫互斥锁）的概念，来保证共享数据操作的完整性。在被加锁的任一时刻，临界区的代码只能被一个线程访问。

为了更好的阐述这个概念，这里用一个抢票代码去演示

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
int ticket=1000;
void* getTicket(void* args)
{
    long id=(long) args;
    while(1)
    {
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            --ticket;
            printf("thread %ld get a ticket,the number is %d\n",id,ticket);
        }
        else
        {
            break;
        }

    }
}
int main()
{
    //创建五个线程
    pthread_t t1[5];
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);
    }
    //主线程在阻塞等待
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_join(t1[i],nullptr);
    }
    return 0;
}

运行结果如下：

我们发现票到负数了还会继续执行

原因如下：

if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程
usleep 这个过程中，ticket还没有进行--的操作有很多线程会进入if条件
–-ticket 操作本身就不是一个原子操作ticket有三条汇编指令（如下）：

movl  ticket(%rip), %eax     # 把ticket的值(内存)加载到eax寄存器中                                                                                                     
subl  $1, %eax               # 把eax寄存器中的值减1
movl  %eax, ticket(%rip)     # 把eax寄存器中的值赋给ticket变量

有可能在你执行到第二条汇编的时候，还没来得及拷贝给内存，就别切换走了，就会导致减到负数，因为别的线程在读取的时候内存中的ticket还是1

如何解决上述问题？

代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

在临界区内，线程只能串行执行，在临界区外，线程可以并发执行

互斥量的接口

互斥量其实就是一把锁，是一个类型为pthread_mutex_t的变量，使用前需要进行初始化操作，使用完之后需要对锁资源进行释放

初始化互斥量:

全局锁或静态锁：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

局部锁：

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, 
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

参数：
restrict mutex：要初始化的锁
restrict attr：不关心，置空
返回值：
成功返回0，失败返回错误码
注意：
互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁再去竞争锁

加锁：

参数：
mutex：要加的锁
返回值：
成功返回0，失败返回错误码

解锁：

参数：

mutex：要解的锁

返回值：
成功返回0，失败返回错误码

销毁互斥量：

参数：
mutex：要销毁锁
返回值：
成功返回0，失败返回错误码

注意：

不要销毁一个已经加锁的互斥量
已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁
加锁的粒度要够小

用以上的方法再需要的地方进行加锁

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
using namespace std;
int ticket=1000;
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const string& threadname,pthread_mutex_t* mutex)
            :thread_name(threadname)
            ,mutex_p(mutex)
    {}
    string thread_name;
    pthread_mutex_t* mutex_p;
};
//创建并初始化
//全局的锁这样写可以不用初始化和销毁
// pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER;
void* getTicket(void* args)
{
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    // ThreadData* td=(ThreadData*) args;
    while(1)
    {
        //加锁
        pthread_mutex_lock(td->mutex_p);
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            cout << td->thread_name << " tickets is " << ticket << endl;
            --ticket;
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);
        }
        else
        {
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);
            break;
        }
        //抢完票就完了吗？需要形成订单给用户
        //这里如果不休息，会一直是第4个线程在跑，原因是锁只规定互斥访问，没有规定必须让谁优先执行
        //锁就是真是的让多个执行流进行竞争的结果
        usleep(1000);
    }
}

int main()
{
    //创建五个线程
    pthread_t t1[5];
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_mutex_init(&lock,nullptr);
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        char buffer[64];
        snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s""%d","thread ",i+1);
        //锁用同一把
        ThreadData* td=new ThreadData(buffer,&lock);
        pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,td);
    }
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_join(t1[i],nullptr);
    }
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    return 0;
}

运行结果如下：

这里运行会变慢，因为加锁以后是串行执行！

如何看待锁？

锁本身就是一个共享资源，全局变量是要被保护的，锁用来保护全局资源，锁本身也是全局资源，所以加锁的过程必须是安全的！加锁的过程是**原子的，锁如果申请成功，继续向后执行，**如果暂时没有申请成功，执行流会阻塞

如果锁申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源，其他线程正在做什么？

阻塞等待

如果锁申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源，我可以被切换吗？

可以，当持有线程的锁被切走，其他线程依旧无法申请锁成功，也无法向后执行，直到我释放这个锁

互斥量的原理

大多数体系结构都提供了swap或exchange指令，该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令，保证了原子性

下面是lock和unlock的伪代码

lock:
	movb $0, %a1     # 把0值放进寄存器a1里
	xchgb %a1, mutex # 交换a1寄存器的内容和锁的值（无线程使用锁时，metux的值为1） 
	if (%a1 > 0)
		return 0; # 得到锁
	else
		挂起等待;
	goto lock;
unlock:
	movb $1 mutex  #把1赋给锁	
	唤醒等待的线程;
	return 0;

下图展示了如何实现：

解锁的伪代码步骤（只有有锁的线程才可以执行到这段代码）：

把mutex的值改为1
唤醒等待锁的线程

封装锁

Mutex.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *lock_p = nullptr): lock_p_(lock_p)
    {}
    void lock()
    {
        if(lock_p_) pthread_mutex_lock(lock_p_);
    }
    void unlock()
    {
        if(lock_p_) pthread_mutex_unlock(lock_p_);
    }
    ~Mutex()
    {}
private:
    pthread_mutex_t *lock_p_;
};

class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t *mutex): mutex_(mutex)
    {
        mutex_.lock(); //在构造函数中进行加锁
    }
    ~LockGuard()
    {
        mutex_.unlock(); //在析构函数中进行解锁
    }
private:
    Mutex mutex_;
};

test.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <memory>
#include <cassert>

#include "Mutex.hpp"

// 共享资源， 火车票
int tickets = 10000;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *getTicket(void *args)
{
    long long username = (long long)args;
    while (true)
    {
        {
            //出了作用域会销毁
            LockGuard lockguard(&lock); // RAII风格的加锁！
            if (tickets > 0)
            {
                usleep(1254); 
                std::cout << username << " 正在进行抢票: " << tickets << std::endl;
                tickets--;
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
        usleep(1000); 
    }

    return nullptr;
}
int main()
{

#define NUM 4
    
    pthread_t t1[5];
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);
    }
    //主线程保持运行
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
         pthread_join(t1[i],nullptr);
    }
    return 0;
}

线程安全和可重入

概念

线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。
重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。