互斥量示例/教程？ [关闭]

Question

我是多线程的新手，并试图了解互斥锁的工作原理。做了很多谷歌搜索，但仍然对它的工作原理产生了一些疑问，因为我创建了自己的程序，其中锁定不起作用。

互斥锁的一个绝对不直观的语法是pthread_mutex_lock( &mutex1 );，看起来互斥锁被锁定了，而我真正想要锁定的是其他变量。这种语法是否意味着锁定互斥锁会锁定代码区域，直到互斥锁解锁？那么线程是如何知道该区域被锁定的呢？ [更新：线程知道该区域被锁定，由 Memory Fencing ]。这种现象不应该被称为临界区吗？ [更新：关键部分对象仅在 Windows 中可用，其中对象比互斥锁更快，并且仅对实现它的线程可见。否则，临界区只是指受互斥体保护的代码区域]

简而言之，您能否提供最简单的互斥锁示例程序和最简单的解释来说明其工作原理？我相信这会对很多其他新手有所帮助。

Answer 1

这是我向世界各地的新手解释这个概念的谦虚尝试：（color coded version 也在我的博客上）

很多人跑到一个单独的电话亭（他们没有手机）与亲人交谈。第一个抓住展位门把手的人，就是被允许使用电话的人。只要他使用电话，他就必须一直抓住门把手，否则别人会抓住把手，把他扔出去和他的妻子说话:) 没有这样的排队系统。当这个人打完电话，走出电话亭并离开门把手时，下一个抓住门把手的人将被允许使用电话。

线程是：每个人
mutex 是：门把手
锁是：人的手
资源是：电话

任何线程必须执行一些不应被其他线程同时修改的代码行（使用电话与他的妻子交谈），必须首先获得互斥锁上的锁（抓住门把手展位的）。只有这样，一个线程才能运行这些代码行（拨打电话）。

一旦线程执行了该代码，它应该释放互斥锁上的锁，以便另一个线程可以获得互斥锁上的锁（其他人可以访问电话亭）。

[在考虑现实世界的独占访问时，拥有互斥锁的概念有点荒谬，但在编程世界中，我想没有其他方法可以让其他线程“看到”一个线程已经存在执行一些代码行。有递归互斥锁等概念，但这个例子只是为了向你展示基本概念。希望这个例子能让你清楚地了解这个概念。]

使用 C++11 线程：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex m;//you can use std::lock_guard if you want to be exception safe
int i = 0;

void makeACallFromPhoneBooth() 
{
    m.lock();//man gets a hold of the phone booth door and locks it. The other men wait outside
      //man happily talks to his wife from now....
      std::cout << i << " Hello Wife" << std::endl;
      i++;//no other thread can access variable i until m.unlock() is called
      //...until now, with no interruption from other men
    m.unlock();//man lets go of the door handle and unlocks the door
}

int main() 
{
    //This is the main crowd of people uninterested in making a phone call

    //man1 leaves the crowd to go to the phone booth
    std::thread man1(makeACallFromPhoneBooth);
    //Although man2 appears to start second, there's a good chance he might
    //reach the phone booth before man1
    std::thread man2(makeACallFromPhoneBooth);
    //And hey, man3 also joined the race to the booth
    std::thread man3(makeACallFromPhoneBooth);

    man1.join();//man1 finished his phone call and joins the crowd
    man2.join();//man2 finished his phone call and joins the crowd
    man3.join();//man3 finished his phone call and joins the crowd
    return 0;
}

使用g++ -std=c++0x -pthread -o thread thread.cpp;./thread编译并运行

如果您使用范围锁for the advantage it provides，则可以使用括号as shown here，而不是显式使用lock 和unlock。作用域锁虽然有轻微的性能开销。

Answer 2

虽然互斥体可用于解决其他问题，但它们存在的主要原因是提供互斥，从而解决所谓的竞争条件。当两个（或更多）线程或进程试图同时访问同一个变量时，我们就有可能出现竞争条件。考虑以下代码

//somewhere long ago, we have i declared as int
void my_concurrently_called_function()
{
  i++;
}

这个函数的内部看起来很简单。这只是一种说法。然而，一个典型的伪汇编语言等价物可能是：

load i from memory into a register
add 1 to i
store i back into memory

因为对 i 执行递增操作都需要等效的汇编语言指令，所以我们说递增 i 是非原子操作。原子操作是一种可以在硬件上完成的操作，并保证一旦指令执行开始就不会被中断。递增 i 由 3 个原子指令链组成。在多个线程调用函数的并发系统中，当线程在错误的时间读取或写入时会出现问题。想象一下，我们有两个线程同时运行，一个在另一个之后立即调用该函数。假设我们已经将 i 初始化为 0。还假设我们有很多寄存器，并且两个线程使用完全不同的寄存器，所以不会发生冲突。这些事件的实际发生时间可能是：

thread 1 load 0 into register from memory corresponding to i //register is currently 0
thread 1 add 1 to a register //register is now 1, but not memory is 0
thread 2 load 0 into register from memory corresponding to i
thread 2 add 1 to a register //register is now 1, but not memory is 0
thread 1 write register to memory //memory is now 1
thread 2 write register to memory //memory is now 1

发生的情况是我们有两个线程同时递增 i，我们的函数被调用了两次，但结果与事实不一致。看起来该函数只被调用了一次。这是因为原子性在机器级别被“破坏”了，这意味着线程可以相互中断或在错误的时间一起工作。

我们需要一种机制来解决这个问题。我们需要对上面的说明进行一些排序。一种常见的机制是阻塞除一个之外的所有线程。 Pthread 互斥锁使用这种机制。

任何必须执行一些代码行的线程可能会同时不安全地修改其他线程的共享值（使用电话与他的妻子交谈），应首先获取互斥锁上的锁。这样，任何需要访问共享数据的线程都必须通过互斥锁。只有这样一个线程才能执行代码。这部分代码称为临界区。

一旦线程执行了临界区，它应该释放互斥锁上的锁，以便另一个线程可以获取互斥锁上的锁。

考虑到人类寻求对真实物理对象的独占访问权时，拥有互斥锁的概念似乎有点奇怪，但在编程时，我们必须是有意识的。并发线程和进程不像我们那样受社会和文化熏陶，因此我们必须强制它们很好地共享数据。

所以从技术上讲，互斥锁是如何工作的？它不会受到我们前面提到的相同竞争条件的影响吗？ pthread_mutex_lock() 是不是比简单的变量增量复杂一点？

从技术上讲，我们需要一些硬件支持来帮助我们。硬件设计者给我们的机器指令不仅做一件事，而且保证是原子的。这种指令的一个典型例子是测试和设置（TAS）。当尝试获取资源的锁时，我们可能会使用 TAS 可能会检查内存中的值是否为 0。如果是，这将是我们的信号，表明资源正在使用中，我们什么也不做（或更准确地说, 我们通过某种机制等待。pthreads 互斥体会将我们放入操作系统中的一个特殊队列中，并在资源可用时通知我们。笨蛋系统可能需要我们进行紧密的自旋循环，一遍又一遍地测试条件） .如果内存中的值不为 0，则 TAS 将位置设置为 0 以外的值，而不使用任何其他指令。这就像将两个汇编指令组合成 1 以赋予我们原子性。因此，测试和更改值（如果更改是适当的）一旦开始就不能中断。我们可以在这样的指令之上构建互斥锁。

注意：某些部分可能与之前的答案相似。我接受了他的编辑邀请，他更喜欢原来的方式，所以我保留了我所拥有的内容，其中注入了一点他的措辞。

Answer 3

我知道的最好的线程教程在这里：

https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads/

我喜欢它是关于 API 的，而不是关于特定实现的，它提供了一些很好的简单示例来帮助您理解同步。

Answer 4

我最近偶然发现了这篇文章，并认为它需要标准库的 c++11 互斥锁（即 std::mutex）的更新解决方案。

我在下面粘贴了一些代码（我使用互斥锁的第一步 - 我在 win32 上使用 HANDLE、SetEvent、WaitForMultipleObjects 等学习了并发）。

由于这是我与 std::mutex 和朋友的第一次尝试，我很乐意看到 cmets、建议和改进！

#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <algorithm>
#include <thread>
#include <queue>
#include <chrono>
#include <iostream>


int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{   
    // these vars are shared among the following threads
    std::queue<unsigned int>    nNumbers;

    std::mutex                  mtxQueue;
    std::condition_variable     cvQueue;
    bool                        m_bQueueLocked = false;

    std::mutex                  mtxQuit;
    std::condition_variable     cvQuit;
    bool                        m_bQuit = false;


    std::thread thrQuit(
        [&]()
        {
            using namespace std;            

            this_thread::sleep_for(chrono::seconds(5));

            // set event by setting the bool variable to true
            // then notifying via the condition variable
            m_bQuit = true;
            cvQuit.notify_all();
        }
    );


    std::thread thrProducer(
        [&]()
        {
            using namespace std;

            int nNum = 13;
            unique_lock<mutex> lock( mtxQuit );

            while ( ! m_bQuit )
            {
                while( cvQuit.wait_for( lock, chrono::milliseconds(75) ) == cv_status::timeout )
                {
                    nNum = nNum + 13 / 2;

                    unique_lock<mutex> qLock(mtxQueue);
                    cout << "Produced: " << nNum << "\n";
                    nNumbers.push( nNum );
                }
            }
        }   
    );

    std::thread thrConsumer(
        [&]()
        {
            using namespace std;
            unique_lock<mutex> lock(mtxQuit);

            while( cvQuit.wait_for(lock, chrono::milliseconds(150)) == cv_status::timeout )
            {
                unique_lock<mutex> qLock(mtxQueue);
                if( nNumbers.size() > 0 )
                {
                    cout << "Consumed: " << nNumbers.front() << "\n";
                    nNumbers.pop();
                }               
            }
        }
    );

    thrQuit.join();
    thrProducer.join();
    thrConsumer.join();

    return 0;
}

Answer 5

函数pthread_mutex_lock() 要么获取调用线程的互斥锁，要么阻塞线程直到可以获取互斥锁。相关的pthread_mutex_unlock() 释放互斥体。

把互斥体想象成一个队列；每个尝试获取互斥锁的线程都将被放置在队列的末尾。当一个线程释放互斥锁时，队列中的下一个线程将关闭并开始运行。

临界区是指可能存在非确定性的代码区域。这通常是因为多个线程试图访问一个共享变量。在某种同步到位之前，临界区是不安全的。互斥锁是同步的一种形式。

Answer 6

对于那些寻找shortex mutex 示例的人：

#include <mutex>

int main() {
    std::mutex m;

    m.lock();
    // do thread-safe stuff
    m.unlock();
}

Answer 7

您应该在使用受互斥锁保护的区域之前检查互斥锁变量。因此，您的 pthread_mutex_lock() 可以（取决于实现）等到 mutex1 被释放或返回一个值，表明如果其他人已经锁定它，则无法获得该锁。

Mutex 实际上只是一个简化的信号量。如果您阅读并了解它们，您就会了解互斥锁。 SO中有几个关于互斥锁和信号量的问题。 Difference between binary semaphore and mutex、When should we use mutex and when should we use semaphore 等等。第一个链接中的厕所示例是人们能想到的最好的示例。所有代码所做的就是检查密钥是否可用，如果可用，则保留它。请注意，您并没有真正保留厕所本身，而是钥匙。

Answer 8

信号量示例 ::

sem_t m;
sem_init(&m, 0, 0); // initialize semaphore to 0

sem_wait(&m);
// critical section here
sem_post(&m);

参考：http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/Classes/537/Fall2008/Notes/threads-semaphores.txt