互斥由来以及相关概念

运行如下代码可以看到，这里是一个抢票的逻辑，让五个线程同时去抢100张票，如果对线程不加以限制的话，会产生票会变为负数也就是过度抢票的情况。

int tickets=100;

void* route(void* args)
{
    char* id=(char*)args;
    while(1)
    {
        if(tickets > 0)
      {
          usleep(1000);
        printf("我是线程%s，正在进行抢票，票还剩%d张\n",id,tickets);
        tickets--;
        
        }
        else
     {
        printf("票已经抢完了\n");
        break;
    }
    }

}

int main()
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;
    pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
    return 0;
}

在这里插入图片描述

这里就需要提到几个概念，例如像这里可以被多个线程的执行流共享的资源就叫做临界资源，其中每个线程对临界资源进行访问的代码就被叫做临界区。如果不对线程进行相关的限制，则会可能出现对临界资源的过度访问从而引发错误。因此Linux下的线程便有了互斥这个概念。互斥指的是在任何时刻，互斥可以保证有且仅有一个执行流能够进入临界区来访问临界资源，这样可以对临界资源起到保护作用。同时这里还有原子性的概念，所谓原子性正是一个操作不会被任何调度机制打断的操作，即要么该操作完成要么就是未完成，有且仅有这两种状态。
上面代码出现逻辑错误，使得过度抢票正是可能有以下原因：

if语句判断为真后，但是线程被切换走，先去运行其他线程，导致再被切回来的时候票的数量已经小于0了
在usleep过程中，可能有其他进行访问了临界资源
tickets–的操作本身就是一个非原子性的操作。–的操作对应3条汇编指令
load ：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中
update : 更新寄存器里面的值，执行-1操作
store ：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址
在这个过程中tickets的值可能已经发生改变了。
为了解决多个线程访问临界资源的问题，代码必须做到以下几点：
1.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。
2.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。
3.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。
因此这就引入了锁的概念，也就是互斥量。

互斥量

互斥量可以形象的比喻为一把锁。想要访问某个临界资源，需要带着这把锁进行访问，这样可以保证临界资源同时只能有一个执行流能够进行访问。下面来认识一下互斥量的接口函数。

初始化互斥量

在这里插入图片描述

从上图中可以看到，互斥量是一种新的数据类型pthread_mutex_t。该变量有两种初始化方式：第一种是使用宏定义的变量在初始化的时候进行定义，例如：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

第二种方法则是使用初始化函数进行初始化
其中第一个参数是一个输出型参数，是需要进行初始化的互斥量
第二个参数一般设置为NULL即可。

销毁互斥量

在上图中，除了创建互斥量以外还有对互斥量进行删除的接口函数。pthread_mutex_destroy该函数可以对创建的互斥量进行销毁，就像使用malloc等动态申请的空间需要手动进行销毁。这里的销毁只需要传入需要销毁的互斥量即可。
但是需要注意以下几点：
使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
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

加锁和解锁

在申请了互斥量之后，可以将该锁给予各个线程，某个线程获得锁的过程就叫做加锁，而将锁释放则是进行解锁操作，相关的函数接口如下：
在这里插入图片描述
这里的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock函数传入参数都很简单，只需要传入对应的互斥量即可，下面来尝试一下使用锁来改进一下抢票的程序。

int tickets=100;
pthread_mutex_t mtx;
void* route(void* args)
{
    char* id=(char*)args;
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mtx);
        if(tickets > 0)
      {
          usleep(1000);
        printf("我是线程%s，正在进行抢票，票还剩%d张\n",id,tickets);
        tickets--;
        }
        else
     {
        printf("票已经抢完了\n");
        pthread_mutex_unlock(&mtx);
        break;
    }
        pthread_mutex_unlock(&mtx);

    }

}

int main()
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;
    pthread_mutex_init(&mtx,nullptr);
    pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mtx);
    return 0;
}

在这里插入图片描述
这里可以看到，使用了加锁之后，只能同时允许一个线程进行对临界资源的访问。避免了对临界资源过度访问的情况，但是这有时会引入一个问题：就是某个线程可能在申请锁并释放锁后反复进行再次申请，使得其他线程没办法竞争到锁，从而导致线程饥饿问题，这个问题需要使用同步来解决，可以参考下一篇博客中介绍同步的内容。