linuxmutex
mutex相關的函數並不是linux kernel實現的，而是glibc實現的，源碼位於nptl目錄下。
http://ftp.gnu.org/pub/gnu/glibc/glibc-2.3.5.tar.gz
首先說數據結構：
typedef union
{
struct
{
int __lock;
unsigned int __count;
int __owner;
unsigned int __nusers;
/* KIND must stay at this position in the structure to maintain
binary compatibility. */
int __kind;
int __spins;
} __data;
char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
long int __align;
} pthread_mutex_t;
int __lock; 資源競爭引用計數
int __kind; 鎖類型，init 函數中mutexattr 參數傳遞，該參數可以為NULL，一般為 PTHREAD_MUTEX_NORMAL
結構體其他元素暫時不了解，以後更新。
/*nptl/pthread_mutex_init.c*/
int
__pthread_mutex_init (mutex, mutexattr)
pthread_mutex_t *mutex;
const pthread_mutexattr_t *mutexattr;
{
const struct pthread_mutexattr *imutexattr;
assert (sizeof (pthread_mutex_t) <= __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T);
imutexattr = (const struct pthread_mutexattr *) mutexattr ?: &default_attr;
/* Clear the whole variable. */
memset (mutex, '\0', __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T);
/* Copy the values from the attribute. */
mutex->__data.__kind = imutexattr->mutexkind & ~0x80000000;
/* Default values: mutex not used yet. */
// mutex->__count = 0; already done by memset
// mutex->__owner = 0; already done by memset
// mutex->__nusers = 0; already done by memset
// mutex->__spins = 0; already done by memset
return 0;
}
init函數就比較簡單了，將mutex結構體清零，設置結構體中__kind屬性。
/*nptl/pthread_mutex_lock.c*/
int
__pthread_mutex_lock (mutex)
pthread_mutex_t *mutex;
{
assert (sizeof (mutex->__size) >= sizeof (mutex->__data));
pid_t id = THREAD_GETMEM (THREAD_SELF, tid);
switch (__builtin_expect (mutex->__data.__kind, PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP))
{
…
default:
/* Correct code cannot set any other type. */
case PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:
simple:
/* Normal mutex. */
LLL_MUTEX_LOCK (mutex->__data.__lock);
break;
…
}
/* Record the ownership. */
assert (mutex->__data.__owner == 0);
mutex->__data.__owner = id;
#ifndef NO_INCR
++mutex->__data.__nusers;
#endif
return 0;
}
該函數主要是調用LLL_MUTEX_LOCK， 省略部分為根據mutex結構體__kind屬性不同值做些處理。
宏定義函數LLL_MUTEX_LOCK最終調用，將結構體mutex的__lock屬性作為參數傳遞進來
#define __lll_mutex_lock(futex) \
((void) ({ \
int *__futex = (futex); \
if (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (__futex, 1, 0) != 0) \
__lll_lock_wait (__futex); \
}))
atomic_compare_and_exchange_bool_acq (__futex, 1, 0)宏定義為：
#define atomic_compare_and_exchange_bool_acq(mem, newval, oldval) \
({ __typeof (mem) __gmemp = (mem); \
__typeof (*mem) __gnewval = (newval); \
\
*__gmemp == (oldval) ? (*__gmemp = __gnewval, 0) : 1; })
這個宏實現的功能是：
如果mem的值等於oldval，則把newval賦值給mem，放回0，否則不做任何處理，返回1.
由此可以看出，當mutex鎖限制的資源沒有競爭時，__lock 屬性被置為1，並返回0，不會調用__lll_lock_wait (__futex); 當存在競爭時，再次調用lock函數，該宏不做任何處理，返回1，調用__lll_lock_wait (__futex);
void
__lll_lock_wait (int *futex)
{
do
{
int oldval = atomic_compare_and_exchange_val_acq (futex, 2, 1);
if (oldval != 0)
lll_futex_wait (futex, 2);
}
while (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (futex, 2, 0) != 0);
}
atomic_compare_and_exchange_val_acq (futex, 2, 1); 宏定義：
/* The only basic operation needed is compare and exchange. */
#define atomic_compare_and_exchange_val_acq(mem, newval, oldval) \
({ __typeof (mem) __gmemp = (mem); \
__typeof (*mem) __gret = *__gmemp; \
__typeof (*mem) __gnewval = (newval); \
\
if (__gret == (oldval)) \
*__gmemp = __gnewval; \
__gret; })
這個宏實現的功能是，當mem等於oldval時，將mem置為newval，始終返回mem原始值。
此時，futex等於1，futex將被置為2，並且返回1. 進而調用
lll_futex_wait (futex, 2);
#define lll_futex_timed_wait(ftx, val, timespec) \
({ \
DO_INLINE_SYSCALL(futex, 4, (long) (ftx), FUTEX_WAIT, (int) (val), \
(long) (timespec)); \
_r10 == -1 ? -_retval : _retval; \
})
該宏對於不同的平台架構會用不同的實現，採用匯編語言實現系統調用。不過確定的是調用了Linux kernel的futex系統調用。
futex在linux kernel的實現位於：kernel/futex.c
SYSCALL_DEFINE6(futex, u32 __user *, uaddr, int, op, u32, val,
struct timespec __user *, utime, u32 __user *, uaddr2,
u32, val3)
{
struct timespec ts;
ktime_t t, *tp = NULL;
u32 val2 = 0;
int cmd = op & FUTEX_CMD_MASK;
if (utime && (cmd == FUTEX_WAIT || cmd == FUTEX_LOCK_PI ||
cmd == FUTEX_WAIT_BITSET ||
cmd == FUTEX_WAIT_REQUEUE_PI)) {
if (_from_user(&ts, utime, sizeof(ts)) != 0)
return -EFAULT;
if (!timespec_valid(&ts))
return -EINVAL;
t = timespec_to_ktime(ts);
if (cmd == FUTEX_WAIT)
t = ktime_add_safe(ktime_get(), t);
tp = &t;
}
/*
* requeue parameter in 'utime' if cmd == FUTEX_*_REQUEUE_*.
* number of waiters to wake in 'utime' if cmd == FUTEX_WAKE_OP.
*/
if (cmd == FUTEX_REQUEUE || cmd == FUTEX_CMP_REQUEUE ||
cmd == FUTEX_CMP_REQUEUE_PI || cmd == FUTEX_WAKE_OP)
val2 = (u32) (unsigned long) utime;
return do_futex(uaddr, op, val, tp, uaddr2, val2, val3);
}
futex具有六個形參，pthread_mutex_lock最終只關注了前四個。futex函數對參數進行判斷和轉化之後，直接調用do_futex。
long do_futex(u32 __user *uaddr, int op, u32 val, ktime_t *timeout,
u32 __user *uaddr2, u32 val2, u32 val3)
{
int clockrt, ret = -ENOSYS;
int cmd = op & FUTEX_CMD_MASK;
int fshared = 0;
if (!(op & FUTEX_PRIVATE_FLAG))
fshared = 1;
clockrt = op & FUTEX_CLOCK_REALTIME;
if (clockrt && cmd != FUTEX_WAIT_BITSET && cmd != FUTEX_WAIT_REQUEUE_PI)
return -ENOSYS;
switch (cmd) {
case FUTEX_WAIT:
val3 = FUTEX_BITSET_MATCH_ANY;
case FUTEX_WAIT_BITSET:
ret = futex_wait(uaddr, fshared, val, timeout, val3, clockrt);
break;
…
default:
ret = -ENOSYS;
}
return ret;
}
省略部分為對其他cmd的處理，pthread_mutex_lock函數最終傳入的cmd參數為FUTEX_WAIT，所以在此只關注此分之，分析futex_wait函數的實現。
static int futex_wait(u32 __user *uaddr, int fshared,
u32 val, ktime_t *abs_time, u32 bitset, int clockrt)
{
struct hrtimer_sleeper timeout, *to = NULL;
struct restart_block *restart;
struct futex_hash_bucket *hb;
struct futex_q q;
int ret;
… … //delete parameters check and convertion
retry:
/* Prepare to wait on uaddr. */
ret = futex_wait_setup(uaddr, val, fshared, &q, &hb);
if (ret)
goto out;
/* queue_me and wait for wakeup, timeout, or a signal. */
futex_wait_queue_me(hb, &q, to);
… … //other handlers
return ret;
}
futex_wait_setup 將線程放進休眠隊列中，
futex_wait_queue_me(hb, &q, to);將本線程休眠，等待喚醒。
喚醒後，__lll_lock_wait函數中的while (atomic_compare_and_exchange_bool_acq (futex, 2, 0) != 0); 語句將被執行，由於此時futex在pthread_mutex_unlock中置為0，所以atomic_compare_and_exchange_bool_acq (futex, 2, 0)語句將futex置為2，返回0. 退出循環，訪問用戶控制項的臨界資源。
/*nptl/pthread_mutex_unlock.c*/
int
internal_function attribute_hidden
__pthread_mutex_unlock_usercnt (mutex, decr)
pthread_mutex_t *mutex;
int decr;
{
switch (__builtin_expect (mutex->__data.__kind, PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP))
{
… …
default:
/* Correct code cannot set any other type. */
case PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:
case PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:
/* Normal mutex. Nothing special to do. */
break;
}
/* Always reset the owner field. */
mutex->__data.__owner = 0;
if (decr)
/* One less user. */
--mutex->__data.__nusers;
/* Unlock. */
lll_mutex_unlock (mutex->__data.__lock);
return 0;
}
省略部分是針對不同的__kind屬性值做的一些處理，最終調用 lll_mutex_unlock。
該宏函數最終的定義為：
#define __lll_mutex_unlock(futex) \
((void) ({ \
int *__futex = (futex); \
int __val = atomic_exchange_rel (__futex, 0); \
\
if (__builtin_expect (__val > 1, 0)) \
lll_futex_wake (__futex, 1); \
}))
atomic_exchange_rel (__futex, 0);宏為：
#define atomic_exchange_rel(mem, value) \
(__sync_synchronize (), __sync_lock_test_and_set (mem, value))
實現功能為：將mem設置為value，返回原始mem值。
__builtin_expect (__val > 1, 0) 是編譯器優化語句，告訴編譯器期望值，也就是大多數情況下__val > 1 ？是0，其邏輯判斷依然為if(__val > 1)為真的話執行 lll_futex_wake。
現在分析，在資源沒有被競爭的情況下，__futex 為1，那麼返回值__val則為1，那麼 lll_futex_wake (__futex, 1); 不會被執行，不產生系統調用。 當資源產生競爭的情況時，根據對pthread_mutex_lock 函數的分析，__futex為2， __val則為2，執行 lll_futex_wake (__futex, 1); 從而喚醒等在臨界資源的線程。
lll_futex_wake (__futex, 1); 最終會調動同一個系統調用，即futex, 只是傳遞的cmd參數為FUTEX_WAKE。
在linux kernel的futex實現中，調用
static int futex_wake(u32 __user *uaddr, int fshared, int nr_wake, u32 bitset)
{
struct futex_hash_bucket *hb;
struct futex_q *this, *next;
struct plist_head *head;
union futex_key key = FUTEX_KEY_INIT;
int ret;
if (!bitset)
return -EINVAL;
ret = get_futex_key(uaddr, fshared, &key);
if (unlikely(ret != 0))
goto out;
hb = hash_futex(&key);
spin_lock(&hb->lock);
head = &hb->chain;
plist_for_each_entry_safe(this, next, head, list) {
if (match_futex (&this->key, &key)) {
if (this->pi_state || this->rt_waiter) {
ret = -EINVAL;
break;
}
/* Check if one of the bits is set in both bitsets */
if (!(this->bitset & bitset))
continue;
wake_futex(this);
if (++ret >= nr_wake)
break;
}
}
spin_unlock(&hb->lock);
put_futex_key(fshared, &key);
out:
return ret;
}
該函數遍歷在該mutex上休眠的所有線程，調用wake_futex進行喚醒，
static void wake_futex(struct futex_q *q)
{
struct task_struct *p = q->task;
/*
* We set q->lock_ptr = NULL _before_ we wake up the task. If
* a non futex wake up happens on another CPU then the task
* might exit and p would dereference a non existing task
* struct. Prevent this by holding a reference on p across the
* wake up.
*/
get_task_struct(p);
plist_del(&q->list, &q->list.plist);
/*
* The waiting task can free the futex_q as soon as
* q->lock_ptr = NULL is written, without taking any locks. A
* memory barrier is required here to prevent the following
* store to lock_ptr from getting ahead of the plist_del.
*/
smp_wmb();
q->lock_ptr = NULL;
wake_up_state(p, TASK_NORMAL);
put_task_struct(p);
}
wake_up_state(p, TASK_NORMAL); 的實現位於kernel/sched.c中，屬於linux進程調度的技術。
2. Linux mutex為什麼不能用在中斷函數
Linux mutex不能用在中斷函數原因：Backtrace來看，應該是i2c_transfer中調用mutex_lock導致schele調用。
pthread_mutex_lock(&qlock);表示嘗試去把qlock上鎖，它會先判斷qlock是否已經上鎖，如果已經上鎖這個線程就會停在這一步直到其他線程把鎖解開。它才繼續運行。所以代碼中要麼是線程1先執行完後執行線程2，要麼就是線程2先執行，再執行線程1.而線程3一開始就執行了。
中斷函數防止方法：
要防止中斷沖突，其實就是要知道什麼設備容易產生中斷沖突，只要知道了這點，在使用這些設備時稍微注意一下就可以了。下面我列出一些容易沖突的設備，希望對讀者有用。
1、音效卡：一些早期的ISA型音效卡，系統很有可能不認，就需要用戶手動設置（一般為5）。
2、內置數據機和滑鼠：一般滑鼠用COM1，內置數據機使用COM2的中斷（一般為3），這時要注意此時COM2上不應有其它設備。
3. Linux下各種鎖的理解和使用及總結解決epoll驚群問題(面試常考)-
鎖出現的原因
臨界資源是什麼: 多線程執行流所共享的資源
鎖的作用是什麼, 可以做原子操作, 在多線程中針對臨界資源的互斥訪問... 保證一個時刻只有一個線程可以持有鎖對於臨界資源做修改操作...
任何一個線程如果需要修改，向臨界資源做寫入操作都必須持有鎖，沒有持有鎖就不能對於臨界資源做寫入操作.
鎖 ： 保證同一時刻只能有一個線程對於臨界資源做寫入操作 (鎖地功能)
再一個直觀地代碼引出問題，再從指令集的角度去看問題
上述一個及其奇怪的結果，這個結果每一次運行都可能是不一樣的，Why ？ 按照我們本來的想法是每一個線程 + 20000000 結果肯定應該是60000000呀，可以就是達不到這個值
為何？ (深入匯編指令來看) 一定將過程放置到匯編指令上去看就可以理解這個過程了.
a++; 或者 a += 1; 這些操作的匯編操作是幾個步驟?
其實是三個步驟：
正常情況下，數據少，操作的線程少，問題倒是不大，想一想要是這樣的情況下，操作次數大，對齊操作的線程多，有些線程從中間切入進來了，在運算之後還沒寫回內存就另外一個線程切入進來同時對於之前的數據進行++ 再寫回內存, 啥效果，多次++ 操作之後結果確實一次加加操作後的結果。 這樣的操作 (術語叫做函數的重入) 我覺得其實就是重入到了匯編指令中間了，還沒將上一次運算的結果寫回內存就重新對這個內存讀取再運算寫入，結果肯定和正常的邏輯後的結果不一樣呀
來一幅圖片解釋一下
咋辦? 其實問題很清楚，我們只需要處理的是多條匯編指令不能讓它中間被插入其他的線程運算. （要想自己在執行匯編指令的時候別人不插入進來） 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！！！
不會原子操作？操作系統給咱提供了線程的 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. 作用都是一個樣，將多個匯編指令鎖成為一條原子操作 (此處的匯編指令也相當於如下的臨界資源)
悲觀鎖：鎖如其名，每次都悲觀地認為其他線程也會來修改數據，進行寫入操作，所以會在取數據前先加鎖保護，當其他線程想要訪問數據時，被阻塞掛起
樂觀鎖：每次取數據的時候，總是樂觀地認為數據不會被其他線程修改，因此不上鎖。但是在更新數據前， 會判斷其他數據在更新前有沒有對數據進行修改。
互斥鎖
最為常見使用地鎖就是互斥鎖, 也稱互斥量. mutex
特徵，當其他線程持有互斥鎖對臨界資源做寫入操作地時候，當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 : 當線程試圖去獲取鎖對臨界資源做寫入操作時候，如果鎖被別的線程正在持有，該線程會保存上下文直接掛起，讓出CPU，等到鎖被釋放出來再進行線程間切換，從新持有CPU執行寫入操作
互斥鎖需要進行線程間切換，相比自旋鎖而言性能會差上許多，因為自旋鎖不會讓出CPU, 也就不需要進行線程間切換的步驟，具體原理下一點詳述
加互斥量(互斥鎖)確實可以達到要求，但是會發現運行時間非常的長，因為線程間不斷地切換也需要時間, 線程間切換的代價比較大.
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自旋鎖
spinlock.自旋鎖.
對比互斥量(互斥鎖)而言，獲取自旋鎖不需要進行線程間切換，如果自旋鎖正在被別的線程佔用，該線程也不會放棄CPU進行掛起休眠，而是恰如其名的在哪裡不斷地循環地查看自旋鎖保持者(持有者)是否將自旋鎖資源釋放出來... （自旋地原來就是如此）
口語解釋自旋：持有自旋鎖的線程不釋放自旋鎖，那也沒有關系呀，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，一旦釋放出來我立馬就可以直接使用 (因為我並沒有掛起等待，不需要像互斥鎖還需要進行線程間切換，重新獲取CPU，保存恢復上下文等等操作)
哪正是因為上述這些特點，線程嘗試獲取自旋鎖，獲取不到不會採取休眠掛起地方式，而是原地自旋（一遍又一遍查詢自旋鎖是否可以獲取）效率是遠高於互斥鎖了. 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：如果每一個線程都僅僅只是需要短時間獲取這個鎖，那我自旋占據CPU等待是沒啥問題地。要是線程需要長時間地使用占據（鎖）。。。 會造成過多地無端占據CPU資源，俗稱站著茅坑不拉屎... 但是要是僅僅是短時間地自旋，平衡CPU利用率 + 程序運行效率 （自旋鎖確實是在有些時候更加合適）
自旋鎖需要場景：內核可搶占或者SMP(多處理器)情況下才真正需求 (避免死鎖陷入死循環，瘋狂地自旋，比如遞歸獲取自旋鎖. 你獲取了還要獲取，但是又沒法釋放)
自旋鎖的使用函數其實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, 我瞄準一條插過去，但是好似所有的都像是覺著自己正在被插一樣的四處逃竄。 這個就是驚群的生活一點的理解
驚群現象其實一點也不少，比如說 accept pthread_cond_broadcast 還有多個線程共享epoll監視一個listenfd 然後此刻 listenfd 說來 SYN了，放在了SYN隊列中，然後完成了三次握手放在了 accept隊列中了, 現在問題是這個connect我應該交付給哪一個線程處理呢.
多個epoll監視准備工作的線程 就是這群 ()，然後connet就是魚叉，這一叉下去肯定是所有的 epoll線程都會被驚醒 (多線程共享listenfd引發的epoll驚群)
同樣如果將上述的多個線程換成多個進程共享監視 同一個 listenfd 就是(多進程的epoll驚群現象)
咱再畫一個草圖再來理解一下這個驚群:
如果是多進程道理是一樣滴，僅僅只是將所有的線程換成進程就OK了
終是來到了今天的正題了: epoll驚群問題地解決上面了...
首先 先說說accept的驚群問題，沒想到吧accept 平時大家寫它的多線程地時候，多個線程同時accept同一個listensock地時候也是會存在驚群問題地，但是accept地驚群問題已經被Linux內核處理了: 當有新的連接進入到accept隊列的時候，內核喚醒且僅喚醒一個進程來處理
但是對於epoll的驚群問題，內核卻沒有直接進行處理。哪既然內核沒有直接幫我們處理，我們應該如何針對這種現象做出一定的措施呢?
驚群效應帶來的弊端: 驚群現象會造成epoll的偽喚醒，本來epoll是阻塞掛起等待著地，這個時候因為掛起等待是不會佔用CPU地。。。 但是一旦喚醒就會佔用CPU去處理發生地IO事件， 但是其實是一個偽喚醒，這個就是對於線程或者進程的無效調度。然而進程或者線程地調取是需要花費代價地，需要上下文切換。需要進行進程(線程)間的不斷切換... 本來多核CPU是用來支持高並發地，但是現在卻被用來無效地喚醒，對於多核CPU簡直就是一種浪費 （浪費系統資源） 還會影響系統的性能.
解決方式（一般是兩種）
Nginx的解決方式:
加鎖：驚群問題發生的前提是多個進程（線程）監聽同一個套接字(listensock)上的事件，所以我們只讓一個進程（線程）去處理監聽套接字就可以了。
畫兩張圖來理解一下：
上述還沒有進行一個每一個進程都對應一個listensock 而是多線程共享一個listensock 運行結果如下
所有的線程同時被喚醒了，但是實際上會處理連接的僅僅只是一個線程，
咱僅僅只是將主線程做如上這樣一個簡單的修改，每一個線程對應一個listensock；每一個線程一個獨有的監視窗口，將問題拋給內核去處理，讓內核去負載均衡 ： 結果如下
僅僅喚醒一個線程來進行處理連接，解決了驚群問題
本文通過介紹兩種鎖入手，以及為什麼需要鎖，鎖本質就是為了保護，持有鎖你就有權力有能力操作寫入一定的臨界保護資源，沒有鎖你就不行需要等待，本質其實是將多條匯編指令綁定成原子操作
然後介紹了驚群現象，通過一個巧妙地例子，扔一顆石子，只是瞄準一條魚扔過去了，但是整池魚都被驚醒了，
對應我們地實際問題就是， 多個線程或者進程共同監視同一個listensock。。。。然後IO連接事件到來地時候本來僅僅只是需要一個線程醒過來處理即可，但是卻會使得所有地線程（進程）全部醒過來，造成不必要地進程線程間切換，多核CPU被浪費喔，系統資源被浪費
處理方式 一。 Nginx 源碼加互斥鎖處理。。 二。設置SO_REUSEPORT, 使得多個進程線程可以同時連接同一個port , 為每一個進程線程搞一個listensock... 將問題拋給內核去處理，讓他去負載均衡地僅僅將IO連接事件分配給一個進程或線程
4. linux下互斥鎖mutex，貌似鎖不上呢
多線程的效果就是同一時間各個線程都在執行。
加鎖不是給線程上鎖。
pthread_mutex_lock(&qlock);表示嘗試去把qlock上鎖，它會先判斷qlock是否已經上鎖，如果已經上鎖這個線程就會停在這一步直到其他線程把鎖解開。它才繼續運行。
所以代碼中要麼是線程1先執行完後執行線程2，要麼就是線程2先執行，再執行線程1.而線程3一開始就執行了。
互斥量mutex是用來給多線程之間的貢獻資源上鎖的。也就是同一個時間只允許一個線程去訪問該資源（資源：比如對文件的寫操作）。
現在來回答樓主的問題：
不是只要在pthread_mutex_lock(&qlock)與pthread_mutex_unlock(&qlock)之間的代碼執行，其他的都不能介入嗎？
其他的都不能介入，不是整個進程只運行這一個線程，其他線程都停住了。
「不能介入「這個動作需要程序員自己設計來保證：好比前面提到的文件讀寫操作。為了防止多個線程同時對文件進行寫入操作，這就需要把資源上鎖了。
如果只有線程1加鎖，那是不是這個鎖就沒有意義了呢？
這個理解可以有
5. Linux 多線程編程(二)2019-08-10
三種專門用於線程同步的機制:POSIX信號量,互斥量和條件變數.
在Linux上信號量API有兩組,一組是System V IPC信號量,即PV操作,另外就是POSIX信號量,POSIX信號量的名字都是以sem_開頭.
phshared參數指定信號量的類型,若其值為0,就表示這個信號量是當前進程的局部信號量,否則該信號量可以在多個進程之間共享.value值指定信號量的初始值,一般與下面的sem_wait函數相對應.
其中比較重要的函數sem_wait函數會以原子操作的方式將信號量的值減一,如果信號量的值為零,則sem_wait將會阻塞,信號量的值可以在sem_init函數中的value初始化;sem_trywait函數是sem_wait的非阻塞版本;sem_post函數將以原子的操作對信號量加一,當信號量的值大於0時,其他正在調用sem_wait等待信號量的線程將被喚醒.
這些函數成功時返回0,失敗則返回-1並設置errno.
生產者消費者模型:
生產者對應一個信號量:sem_t procer;
消費者對應一個信號量:sem_t customer;
sem_init(&procer,2)----生產者擁有資源,可以工作;
sem_init(&customer,0)----消費者沒有資源,阻塞;
在訪問公共資源前對互斥量設置（加鎖），確保同一時間只有一個線程訪問數據，在訪問完成後再釋放（解鎖）互斥量.
互斥鎖的運行方式:串列訪問共享資源;
信號量的運行方式:並行訪問共享資源;
互斥量用pthread_mutex_t數據類型表示，在使用互斥量之前，必須使用pthread_mutex_init函數對它進行初始化，注意，使用完畢後需調用pthread_mutex_destroy.
pthread_mutex_init用於初始化互斥鎖，mutexattr用於指定互斥鎖的屬性，若為NULL，則表示默認屬性。除了用這個函數初始化互斥所外，還可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。
pthread_mutex_destroy用於銷毀互斥鎖，以釋放佔用的內核資源，銷毀一個已經加鎖的互斥鎖將導致不可預期的後果。
pthread_mutex_lock以原子操作給一個互斥鎖加鎖。如果目標互斥鎖已經被加鎖，則pthread_mutex_lock則被阻塞，直到該互斥鎖佔有者把它給解鎖.
pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock類似，不過它始終立即返回，而不論被操作的互斥鎖是否加鎖，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.當目標互斥鎖未被加鎖時，pthread_mutex_trylock進行加鎖操作；否則將返回EBUSY錯誤碼。注意：這里討論的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是針對普通鎖而言的，對於其他類型的鎖，這兩個加鎖函數會有不同的行為.
pthread_mutex_unlock以原子操作方式給一個互斥鎖進行解鎖操作。如果此時有其他線程正在等待這個互斥鎖，則這些線程中的一個將獲得它.
三個列印機輪流列印:
輸出結果:
如果說互斥鎖是用於同步線程對共享數據的訪問的話,那麼條件變數就是用於在線程之間同步共享數據的值.條件變數提供了一種線程之間通信的機制:當某個共享數據達到某個值時,喚醒等待這個共享數據的線程.
條件變數會在條件不滿足的情況下阻塞線程.且條件變數和互斥量一起使用，允許線程以無競爭的方式等待特定的條件發生.
其中pthread_cond_broadcast函數以廣播的形式喚醒所有等待目標條件變數的線程,pthread_cond_signal函數用於喚醒一個等待目標條件變數線程.但有時候我們可能需要喚醒一個固定的線程,可以通過間接的方法實現:定義一個能夠唯一標識目標線程的全局變數,在喚醒等待條件變數的線程前先設置該變數為目標線程,然後採用廣播的方式喚醒所有等待的線程,這些線程被喚醒之後都檢查該變數以判斷是否是自己.
採用條件變數+互斥鎖實現生產者消費者模型:
運行結果:
阻塞隊列+生產者消費者
運行結果:
6. Linux 線程同步有哪些方法
一、互斥鎖(mutex)
1.
初始化鎖。在Linux下，線程的互斥量數據類型是pthread_mutex_t。在使用前,要對它進行初始化。
靜態分配：pthread_mutex_t
mutex
=
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
動態分配：int
pthread_mutex_init(pthread_mutex_t
*mutex,
const
pthread_mutex_attr_t
*mutexattr);
2.
加鎖。對共享資源的訪問，要對互斥量進行加鎖，如果互斥量已經上了鎖，調用線程會阻塞，直到互斥量被解鎖。
int
pthread_mutex_lock(pthread_mutex
*mutex);
int
pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t
*mutex);
3.
解鎖。在完成了對共享資源的訪問後，要對互斥量進行解鎖。
int
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t
*mutex);
4.
銷毀鎖。鎖在是使用完成後，需要進行銷毀以釋放資源。
int
pthread_mutex_destroy(pthread_mutex
*mutex);
二、條件變數(cond)
1.
初始化條件變數。
靜態態初始化，pthread_cond_t
cond
=
PTHREAD_COND_INITIALIER;
動態初始化，int
pthread_cond_init(pthread_cond_t
*cond,
pthread_condattr_t
*cond_attr);
2.
等待條件成立。釋放鎖,同時阻塞等待條件變數為真才行。timewait()設置等待時間,仍未signal,返回ETIMEOUT(加鎖保證只有一個線程wait)
int
pthread_cond_wait(pthread_cond_t
*cond,
pthread_mutex_t
*mutex);
int
pthread_cond_timewait(pthread_cond_t
*cond,pthread_mutex
*mutex,const
timespec
*abstime);
3.
激活條件變數。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待線程）
int
pthread_cond_signal(pthread_cond_t
*cond);
int
pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t
*cond);
//解除所有線程的阻塞
4.
清除條件變數。無線程等待,否則返回EBUSY
int
pthread_cond_destroy(pthread_cond_t
*cond);
三、信號量(sem)
1.
信號量初始化。
int
sem_init
(sem_t
*sem
,
int
pshared,
unsigned
int
value);
這是對由sem指定的信號量進行初始化，設置好它的共享選項(linux
只支持為0，即表示它是當前進程的局部信號量)，然後給它一個初始值VALUE。
2.
等待信號量。給信號量減1，然後等待直到信號量的值大於0。
int
sem_wait(sem_t
*sem);
3.
釋放信號量。信號量值加1。並通知其他等待線程。
int
sem_post(sem_t
*sem);
4.
銷毀信號量。我們用完信號量後都它進行清理。歸還佔有的一切資源。
int
sem_destroy(sem_t
*sem);
7. Linux進程間通信（互斥鎖、條件變數、讀寫鎖、文件鎖、信號燈）
為了能夠有效的控制多個進程之間的溝通過程，保證溝通過程的有序和和諧，OS必須提供一定的同步機制保證進程之間不會自說自話而是有效的協同工作。比如在 共享內存的通信方式中，兩個或者多個進程都要對共享的內存進行數據寫入，那麼怎麼才能保證一個進程在寫入的過程中不被其它的進程打斷，保證數據的完整性 呢？又怎麼保證讀取進程在讀取數據的過程中數據不會變動，保證讀取出的數據是完整有效的呢？
常用的同步方式有： 互斥鎖、條件變數、讀寫鎖、記錄鎖(文件鎖)和信號燈.
互斥鎖：
顧名思義，鎖是用來鎖住某種東西的，鎖住之後只有有鑰匙的人才能對鎖住的東西擁有控制權(把鎖砸了，把東西偷走的小偷不在我們的討論范圍了)。所謂互斥， 從字面上理解就是互相排斥。因此互斥鎖從字面上理解就是一點進程擁有了這個鎖，它將排斥其它所有的進程訪問被鎖住的東西，其它的進程如果需要鎖就只能等待，等待擁有鎖的進程把鎖打開後才能繼續運行。 在實現中，鎖並不是與某個具體的變數進行關聯，它本身是一個獨立的對象。進(線)程在有需要的時候獲得此對象，用完不需要時就釋放掉。
互斥鎖的主要特點是互斥鎖的釋放必須由上鎖的進(線)程釋放，如果擁有鎖的進(線)程不釋放，那麼其它的進(線)程永遠也沒有機會獲得所需要的互斥鎖。
互斥鎖主要用於線程之間的同步。
條件變數：
上文中提到，對於互斥鎖而言，如果擁有鎖的進(線)程不釋放鎖，其它進(線)程永遠沒機會獲得鎖，也就永遠沒有機會繼續執行後續的邏輯。在實際環境下，一 個線程A需要改變一個共享變數X的值，為了保證在修改的過程中X不會被其它的線程修改，線程A必須首先獲得對X的鎖。現在假如A已經獲得鎖了，由於業務邏 輯的需要，只有當X的值小於0時，線程A才能執行後續的邏輯，於是線程A必須把互斥鎖釋放掉，然後繼續「忙等」。如下面的偽代碼所示：
1.// get x lock
2.while(x