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隨著計(jì)算機(jī)硬件的高速發(fā)展和軟件復(fù)雜程度的增加，多線程編程成為了現(xiàn)代操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)中的必備技術(shù)。同時(shí)，多線程編程也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，例如多線程之間的資源競(jìng)爭(zhēng)、數(shù)據(jù)同步等。為了解決這些問(wèn)題，操作系統(tǒng)提供了一些線程同步的機(jī)制，比如互斥鎖、信號(hào)量、條件變量等。本文主要介紹Linux互斥鎖的封裝，以保障多線程同步安全。
1. 互斥鎖與多線程同步
互斥鎖是一種線程同步的機(jī)制，它可以確保在任意時(shí)刻只有一個(gè)線程訪問(wèn)共享資源，從而避免多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)線程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，它先嘗試獲取互斥鎖，如果鎖已經(jīng)被其他線程獲取，則當(dāng)前線程會(huì)阻塞等待鎖被釋放。當(dāng)鎖被釋放后，當(dāng)前線程再次嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則該線程可以開(kāi)始訪問(wèn)共享資源。
互斥鎖的使用需要遵守以下幾個(gè)原則：
1） 盡量縮小互斥鎖保護(hù)的數(shù)據(jù)范圍，避免不必要的線程阻塞和鎖競(jìng)爭(zhēng)；
2） 確保每個(gè)訪問(wèn)共享資源的線程都正確地獲取和釋放互斥鎖；
3） 避免死鎖或饑餓問(wèn)題，即在持有鎖的情況下不能阻塞其他線程或?qū)е缕渌€程無(wú)法獲取鎖。
2. Linux互斥鎖的封裝
在Linux系統(tǒng)下，互斥鎖的使用需要依賴pthread.h頭文件和相關(guān)庫(kù)函數(shù)。然而，直接使用互斥鎖有時(shí)會(huì)存在一些問(wèn)題，例如使用不當(dāng)容易導(dǎo)致死鎖或饑餓問(wèn)題，而且代碼冗長(zhǎng)，不便于維護(hù)。
為了解決這些問(wèn)題，我們可以對(duì)互斥鎖進(jìn)行封裝，以提供更為安全、簡(jiǎn)單、易用的接口。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的互斥鎖封裝示例：
“`c
#include
#include
class Mutex {
public:
Mutex() {
pthread_mutex_init(&mutex_, NULL);
}
~Mutex() {
pthread_mutex_destroy(&mutex_);
}
void lock() {
pthread_mutex_lock(&mutex_);
}
void unlock() {
pthread_mutex_unlock(&mutex_);
}
private:
pthread_mutex_t mutex_;
};
“`
上述代碼定義了一個(gè)名為Mutex的類，這個(gè)類封裝了一個(gè)互斥鎖pthread_mutex_t mutex_。類的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)分別對(duì)互斥鎖進(jìn)行初始化和銷毀。類中還定義了lock()和unlock()方法，用于獲取和釋放互斥鎖。
使用上述封裝后的互斥鎖，我們可以更加方便地實(shí)現(xiàn)多線程同步。例如，以下代碼展示了一個(gè)線程安全的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)：
“`c
#include
#include
#include “Mutex.h”
int count = 0;
Mutex g_mutex;
void worker() {
for (int i = 0; i
g_mutex.lock();
++count;
g_mutex.unlock();
}
}
int mn() {
std::thread t1(worker);
std::thread t2(worker);
t1.join();
t2.join();
std::cout
return 0;
}
“`
上述代碼中，我們定義了一個(gè)全局的計(jì)數(shù)器count和一個(gè)Mutex對(duì)象g_mutex，并創(chuàng)建了兩個(gè)線程執(zhí)行worker()函數(shù)。在worker()函數(shù)中，我們使用互斥鎖保護(hù)計(jì)數(shù)器count的訪問(wèn)，以避免多線程訪問(wèn)的競(jìng)爭(zhēng)和錯(cuò)誤。
3.
相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：
- Linux下各種鎖的理解和使用及總結(jié)解決epoll驚群?jiǎn)栴}(面試?？?-
- linux下信號(hào)量和互斥鎖的區(qū)別
Linux下各種鎖的理解和使用及總結(jié)解決epoll驚群?jiǎn)栴}(面試常考)-
鎖出現(xiàn)的原因
臨舉態(tài)界資源是什么: 多線程執(zhí)行流所共享的資源
鎖的作用是什么, 可以做原子操作, 在多線程中針對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)… 保證一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程可以持有鎖對(duì)于臨界資源做修改操作…
任何一個(gè)線程如果需要修改，向臨界資源做寫入操作都必須持有鎖，沒(méi)有持有鎖就不能對(duì)于臨界資源做寫入操作.
鎖 ： 保證同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程對(duì)于臨界資源做寫入操作 (鎖地功能)
再一個(gè)直觀地代碼引出問(wèn)題，再?gòu)闹噶罴慕嵌热タ磫?wèn)題
上述一個(gè)及其奇怪的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果每一次運(yùn)行都可能是不一樣的，Why ？ 按照我們本來(lái)的想法是每一個(gè)線程 +結(jié)果肯定應(yīng)該是呀，可以就是達(dá)不到這個(gè)值
為何？ (深入?yún)R編指令來(lái)看) 一定將過(guò)程放置到匯編指令上去看就可以理解這個(gè)過(guò)程了.
a++; 或者 a += 1; 這些操作的匯編操作是幾個(gè)步驟?
其實(shí)是三個(gè)步驟：
正常情況下，數(shù)據(jù)少，操作的線程少，問(wèn)跡叢題倒是不大，想一想要是這樣的情況下，操作次數(shù)大，對(duì)齊操作的線程多，有些線程從中間切入進(jìn)來(lái)了，在運(yùn)算之后還沒(méi)寫回內(nèi)存就另外一個(gè)線程切入進(jìn)來(lái)同時(shí)對(duì)于之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行++ 再寫回內(nèi)存, 啥效果，多次++ 操作之后結(jié)果確實(shí)一次加加操作后的結(jié)果。 這樣的操作 (術(shù)語(yǔ)叫做函數(shù)的重入) 我覺(jué)得其實(shí)就是重入到了匯編指令中間了，還沒(méi)將上一次運(yùn)算的結(jié)果寫回內(nèi)存就重新對(duì)這個(gè)內(nèi)存讀取再運(yùn)算寫姿答櫻入，結(jié)果肯定和正常的邏輯后的結(jié)果不一樣呀
來(lái)一幅圖片解釋一下
咋辦? 其實(shí)問(wèn)題很清楚，我們只需要處理的是多條匯編指令不能讓它中間入其他的線程運(yùn)算. （要想自己在執(zhí)行匯編指令的時(shí)候別人不插入進(jìn)來(lái)） 將多條匯編指令綁定成為一條指令不就OK了嘛。
也就是原子操作?。?！
不會(huì)原子操作？操作系統(tǒng)給咱提供了線程的 綁定方式工具呀：mutex 互斥鎖(互斥量)， 自旋鎖(spinlock)， 讀寫鎖（readers-writer lock） 他們也稱作悲觀鎖. 作用都是一個(gè)樣，將多個(gè)匯編指令鎖成為一條原子操作 (此處的匯編指令也相當(dāng)于如下的臨界資源)
悲觀鎖：鎖如其名，每次都悲觀地認(rèn)為其他線程也會(huì)來(lái)修改數(shù)據(jù)，進(jìn)行寫入操作，所以會(huì)在取數(shù)據(jù)前先加鎖保護(hù)，當(dāng)其他線程想要訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，被阻塞掛起
樂(lè)觀鎖：每次取數(shù)據(jù)的時(shí)候，總是樂(lè)觀地認(rèn)為數(shù)據(jù)不會(huì)被其他線程修改，因此不上鎖。但是在更新數(shù)據(jù)前， 會(huì)判斷其他數(shù)據(jù)在更新前有沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。
互斥鎖
最為常見(jiàn)使用地鎖就是互斥鎖, 也稱互斥量. mutex
特征，當(dāng)其他線程持有互斥鎖對(duì)臨界資源做寫入操作地時(shí)候，當(dāng)前線程只能掛起等待，讓出CPU，存在線程間切換工作
解釋一下存在線程間切換工作 : 當(dāng)線程試圖去獲取鎖對(duì)臨界資源做寫入操作時(shí)候，如果鎖被別的線程正在持有，該線程會(huì)保存上下文直接掛起，讓出CPU，等到鎖被釋放出來(lái)再進(jìn)行線程間切換，從新持有CPU執(zhí)行寫入操作
互斥鎖需要進(jìn)行線程間切換，相比自旋鎖而言性能會(huì)差上許多，因?yàn)樽孕i不會(huì)讓出CPU, 也就不需要進(jìn)行線程間切換的步驟，具體原理下一點(diǎn)詳述
加互斥量(互斥鎖)確實(shí)可以達(dá)到要求，但是會(huì)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間非常的長(zhǎng)，因?yàn)榫€程間不斷地切換也需要時(shí)間, 線程間切換的代價(jià)比較大.
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自旋鎖
spinlock.自旋鎖.
對(duì)比互斥量(互斥鎖)而言，獲取自旋鎖不需要進(jìn)行線程間切換，如果自旋鎖正在被別的線程占用，該線程也不會(huì)放棄CPU進(jìn)行掛起休眠，而是恰如其名的在哪里不斷地循環(huán)地查看自旋鎖保持者(持有者)是否將自旋鎖資源釋放出來(lái)… （自旋地原來(lái)就是如此）
口語(yǔ)解釋自旋：持有自旋鎖的線程不釋放自旋鎖，那也沒(méi)有關(guān)系呀，我就在這里不斷地一遍又一遍地查詢自旋鎖是否釋放出來(lái)，一旦釋放出來(lái)我立馬就可以直接使用 (因?yàn)槲也](méi)有掛起等待，不需要像互斥鎖還需要進(jìn)行線程間切換，重新獲取CPU，保存恢復(fù)上下文等等操作)
哪正是因?yàn)樯鲜鲞@些特點(diǎn)，線程嘗試獲取自旋鎖，獲取不到不會(huì)采取休眠掛起地方式，而是原地自旋（一遍又一遍查詢自旋鎖是否可以獲?。┬适沁h(yuǎn)高于互斥鎖了. 那我們是不是所有情況都使用自旋鎖就行了呢，互斥鎖就可以放棄使用了嗎????
解釋自旋鎖地弊端：如果每一個(gè)線程都僅僅只是需要短時(shí)間獲取這個(gè)鎖，那我自旋占據(jù)CPU等待是沒(méi)啥問(wèn)題地。要是線程需要長(zhǎng)時(shí)間地使用占據(jù)（鎖）。。。 會(huì)造成過(guò)多地?zé)o端占據(jù)CPU資源，俗稱站著茅坑不拉屎… 但是要是僅僅是短時(shí)間地自旋，平衡CPU利用率 + 程序運(yùn)行效率 （自旋鎖確實(shí)是在有些時(shí)候更加合適）
自旋鎖需要場(chǎng)景：內(nèi)核可搶占或者P(多處理器)情況下才真正需求 (避免死鎖陷入死循環(huán)，瘋狂地自旋，比如遞歸獲取自旋鎖. 你獲取了還要獲取，但是又沒(méi)法釋放)
自旋鎖的使用函數(shù)其實(shí)和互斥鎖幾乎是一摸一樣地，僅僅只是需要將所有的mutex換成spin即可
僅僅只是在init存在些許不同
何為驚群，池塘一堆, 我瞄準(zhǔn)一條插過(guò)去，但是好似所有的都像是覺(jué)著自己正在一樣的四處逃竄。 這個(gè)就是驚群的生活一點(diǎn)的理解
驚群現(xiàn)象其實(shí)一點(diǎn)也不少，比如說(shuō) accept pthread_cond_broadcast 還有多個(gè)線程共享epoll監(jiān)視一個(gè)listenfd 然后此刻 listenfd 說(shuō)來(lái) SYN了，放在了SYN隊(duì)列中，然后完成了三次握手放在了 accept隊(duì)列中了, 現(xiàn)在問(wèn)題是這個(gè)connect我應(yīng)該交付給哪一個(gè)線程處理呢.
多個(gè)epoll監(jiān)視準(zhǔn)備工作的線程 就是這群 ()，然后connet就是魚叉，這一叉下去肯定是所有的 epoll線程都會(huì)被驚醒 (多線程共享listenfd引發(fā)的epoll驚群)
同樣如果將上述的多個(gè)線程換成多個(gè)進(jìn)程共享監(jiān)視 同一個(gè) listenfd 就是(多進(jìn)程的epoll驚群現(xiàn)象)
咱再畫一個(gè)草圖再來(lái)理解一下這個(gè)驚群:
如果是多進(jìn)程道理是一樣滴，僅僅只是將所有的線程換成進(jìn)程就OK了
終是來(lái)到了今天的正題了: epoll驚群?jiǎn)栴}地解決上面了…
首先 先說(shuō)說(shuō)accept的驚群?jiǎn)栴}，沒(méi)想到吧accept 平時(shí)大家寫它的多線程地時(shí)候，多個(gè)線程同時(shí)accept同一個(gè)listensock地時(shí)候也是會(huì)存在驚群?jiǎn)栴}地，但是accept地驚群?jiǎn)栴}已經(jīng)被Linux內(nèi)核處理了: 當(dāng)有新的連接進(jìn)入到accept隊(duì)列的時(shí)候，內(nèi)核喚醒且僅喚醒一個(gè)進(jìn)程來(lái)處理
但是對(duì)于epoll的驚群?jiǎn)栴}，內(nèi)核卻沒(méi)有直接進(jìn)行處理。哪既然內(nèi)核沒(méi)有直接幫我們處理，我們應(yīng)該如何針對(duì)這種現(xiàn)象做出一定的措施呢?
驚群效應(yīng)帶來(lái)的弊端: 驚群現(xiàn)象會(huì)造成epoll的偽喚醒，本來(lái)epoll是阻塞掛起等待著地，這個(gè)時(shí)候因?yàn)閽炱鸬却遣粫?huì)占用CPU地。。。 但是一旦喚醒就會(huì)占用CPU去處理發(fā)生地IO事件， 但是其實(shí)是一個(gè)偽喚醒，這個(gè)就是對(duì)于線程或者進(jìn)程的無(wú)效調(diào)度。然而進(jìn)程或者線程地調(diào)取是需要花費(fèi)代價(jià)地，需要上下文切換。需要進(jìn)行進(jìn)程(線程)間的不斷切換… 本來(lái)多核CPU是用來(lái)支持高并發(fā)地，但是現(xiàn)在卻被用來(lái)無(wú)效地喚醒，對(duì)于多核CPU簡(jiǎn)直就是一種浪費(fèi) （浪費(fèi)系統(tǒng)資源） 還會(huì)影響系統(tǒng)的性能.
解決方式（一般是兩種）
Nginx的解決方式:
加鎖：驚群?jiǎn)栴}發(fā)生的前提是多個(gè)進(jìn)程（線程）監(jiān)聽(tīng)同一個(gè)套接字(listensock)上的事件，所以我們只讓一個(gè)進(jìn)程（線程）去處理監(jiān)聽(tīng)套接字就可以了。
畫兩張圖來(lái)理解一下：
上述還沒(méi)有進(jìn)行一個(gè)每一個(gè)進(jìn)程都對(duì)應(yīng)一個(gè)listensock 而是多線程共享一個(gè)listensock 運(yùn)行結(jié)果如下
所有的線程同時(shí)被喚醒了，但是實(shí)際上會(huì)處理連接的僅僅只是一個(gè)線程，
咱僅僅只是將主線程做如上這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的修改，每一個(gè)線程對(duì)應(yīng)一個(gè)listensock；每一個(gè)線程一個(gè)獨(dú)有的監(jiān)視窗口，將問(wèn)題拋給內(nèi)核去處理，讓內(nèi)核去負(fù)載均衡 ： 結(jié)果如下
僅僅喚醒一個(gè)線程來(lái)進(jìn)行處理連接，解決了驚群?jiǎn)栴}
本文通過(guò)介紹兩種鎖入手，以及為什么需要鎖，鎖本質(zhì)就是為了保護(hù)，持有鎖你就有權(quán)力有能力操作寫入一定的臨界保護(hù)資源，沒(méi)有鎖你就不行需要等待，本質(zhì)其實(shí)是將多條匯編指令綁定成原子操作
然后介紹了驚群現(xiàn)象，通過(guò)一個(gè)巧妙地例子，扔一顆石子，只是瞄準(zhǔn)一條魚扔過(guò)去了，但是整池魚都被驚醒了，
對(duì)應(yīng)我們地實(shí)際問(wèn)題就是， 多個(gè)線程或者進(jìn)程共同監(jiān)視同一個(gè)listensock。。。。然后IO連接事件到來(lái)地時(shí)候本來(lái)僅僅只是需要一個(gè)線程醒過(guò)來(lái)處理即可，但是卻會(huì)使得所有地線程（進(jìn)程）全部醒過(guò)來(lái)，造成不必要地進(jìn)程線程間切換，多核CPU被浪費(fèi)喔，系統(tǒng)資源被浪費(fèi)
處理方式 一。 Nginx 源碼加互斥鎖處理。。 二。設(shè)置SO_REUSEPORT, 使得多個(gè)進(jìn)程線程可以同時(shí)連接同一個(gè)port , 為每一個(gè)進(jìn)程線程搞一個(gè)listensock… 將問(wèn)題拋給內(nèi)核去處理，讓他去負(fù)載均衡地僅僅將IO連接事件分配給一個(gè)進(jìn)程或線程
linux下信號(hào)量和互斥鎖的區(qū)別
信號(hào)量用在多線程多任務(wù)同步的，一個(gè)線程完成了某一個(gè)動(dòng)作就通過(guò)信號(hào)量告訴別的線程，別的線程再進(jìn)行某些動(dòng)作（大家都族滲團(tuán)在semtake的時(shí)候，就阻塞在哪里）。
而互斥鎖是用在多線程多任務(wù)互斥的，一個(gè)線程占用了某一個(gè)資源，那么別的線程就無(wú)法訪問(wèn)，直到這個(gè)線程unlock，其他的線程才開(kāi)始可以利用這個(gè)資源。比如對(duì)全局變量的訪問(wèn)，有時(shí)要加鎖，操作完喊蔽了，在解鎖。
有的時(shí)候鎖和信號(hào)量會(huì)同時(shí)使用的兆橘。我記得以前做的一個(gè)項(xiàng)目就是既有semtake，又有l(wèi)ock。
信號(hào)量與互斥鎖之間的區(qū)冊(cè)跡別：
1.
互斥量用于線程的互斥，信號(hào)量用于線程的同步。
這是互斥量和信號(hào)量的根本區(qū)別，也就是互斥和同步之間的區(qū)別。
互斥：是指某一資源同時(shí)只允許一個(gè)訪問(wèn)者對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，具有唯一性和排它性。但互斥無(wú)法限制訪問(wèn)者對(duì)資源的訪問(wèn)順序，即訪問(wèn)是無(wú)數(shù)肆序的。
同步：是指在互州畢并斥的基礎(chǔ)上（大多數(shù)情況），通過(guò)其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)者對(duì)資源的有序訪問(wèn)。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥，特別是所有寫入資源的情況必定是互斥的。少數(shù)情況是指可以允許多個(gè)訪問(wèn)者同時(shí)訪問(wèn)資源
2.
互斥量值只能為0/1，信號(hào)量值可以為非負(fù)整數(shù)。
也就是說(shuō)，一個(gè)互斥量只能用于一個(gè)資源的互斥訪問(wèn)，它不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)資源的多線程互斥問(wèn)題。信號(hào)量可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)同類資源的多線程互斥和同步。當(dāng)信號(hào)量為單值信號(hào)量是，也可以完成一個(gè)資源的互斥訪問(wèn)。
3.
互斥量的加鎖和解鎖必須由同一線程分別對(duì)應(yīng)使用，信號(hào)量可以由一個(gè)線程釋放，另一個(gè)線程得到。
關(guān)于linux互斥鎖封裝的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。
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本文題目：Linux互斥鎖封裝：保障多線程同步安全(linux互斥鎖封裝)
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