依然以抢票问题为例。前面的文章从提出问题，到发现问题，而本文则是解决问题。通常解决问题的方式不止一种，但是为了避免复杂化，本文只讲互斥量。

1. 互斥量

1.1 基本概念

为了确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问共享资源前需要对互斥量上锁。一旦对互斥量上锁后，任何其他试图再次对互斥量上锁的线程都会被阻塞，即进入等待队列。

上面的文字用伪代码表示：

lock(&mutex);
// 访问共享资源
unlock(&mutex);

有些同学可能觉得通过代码很容易实现，其实不然。比方说下面这样：

// 加锁
if (flag == 0) {
  flag == 1;
}
// 访问共享资源
// 解锁
flag == 0;

上面这种做法是错误的，你有没有想过，标记 flag 也是共享资源？

实际上，有一种称之为 peterson 的算法可以解决两线程互斥问题，它的原理并不容易，如果你对此有兴趣，请参考​​《深入理解互斥锁的实现》​​。

1.2 互斥量的数据类型

pthread 中，互斥量是用 pthread_mutex_t 数据类型表示的，通常它是一个结构体。在使用它前，必须先对它进行初始化。有两种方法可以对它进行初始化：

  • 通过静态分配的方法，将它设置为常量​​PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER​​.
  • 使用函数​​pthread_mutex_init​​​ 进行初始化，如果是用此种方法初始化的互斥量，用完后还需要使用​​pthread_mutex_destroy​​ 对其进行回收。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
  const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
int

在上面的函数中，有两点需要提一下：

  • (1) restrict 关键字的含义：访问指针 mutex 指针的内容的唯一方法是使用 mutex 指针。通常这是告诉编译器：除了 mutex 指针指向这个内存，再也没别的指针指向这里了。
  • (2) pthread_mutexattr_t 类型，用来描述互斥量的属性。现阶段，attr 指针默认设置为 NULL.

1.3 互斥量的加锁和解锁

// 用于加锁的两个函数
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

// 解锁只有下面这一种方法
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

在第 1.1 节中说，如果试图对一个已加锁的互斥量上锁，会让线程阻塞进入等待队列，实际上这是对 pthread_mutex_lock 函数说的。

如果使用 pthread_mutex_trylock，无论互斥量之前有没有上锁，线程会立即返回而不会阻塞，它是通过返回值来判断是否上锁成功：

  • 如果 pthread_mutex_trylock 返回0， 表示上锁成功。
  • 如果 pthread_mutex_trylock 返回EBUSY，表示上锁失败。

所以这两种上锁的函数唯一区别就是一个是阻塞函数，另一个是非阻塞函数。不过通常不使用非阻塞版本的，它会浪费 cpu，除非你别有用意。

有同学可能会好奇，为什么我们自己用一个共享的 flag 变量做标记不行，而这里的 lock 函数却可以做到？这是因为 lock 函数对 mutex 的操作是原子的，所谓的原子操作，就是要么一次执行成功，要么一次执行失败。而你使用全局 flag 变量，是做不到这一点的，从 if (flag == 0) 到 flag = 1的赋值操作是分成了两个步骤，翻译成汇编语句那就需要更多条了。所以如果你想自己实现这样的原子操作，就只能使用汇编语句来编写啦，有可能的话，后面我自己用代码来实现一个！（当然用关中断也可以，只不过没必要如此麻烦。）

2. 解决抢票问题

说了一大堆的概念，小伙伴可能已经迫不急待的想看代码了，这的确是一种速度最快的方式^_^

2.1 程序清单

// solve.c
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int tickets = 3;
// 使用静态初始化的方式初始化一把互斥锁
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* allen(void* arg) {
  int flag = 1;
  while(flag) {
    // 上锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    int t = tickets;
    usleep(1000*20);// 20ms
    if (t > 0) {
      printf("allen buy a ticket\n");
      --t;
      usleep(1000*20);// 20ms
      tickets = t;
    }   
    else flag = 0;
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    usleep(1000*20);// 20ms
  }
  return NULL;
}

void* luffy(void* arg) {
  int flag = 1;
  while(flag) {
    // 上锁
    pthread_mutex_lock(&lock);
    int t = tickets;
    usleep(1000*20);
    if (t > 0) {
      printf("luffy buy a ticket\n");
      --t;
      usleep(1000*20);// 20ms
      tickets = t;
    }   
    else flag = 0;
    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&lock);
    usleep(1000*20);// 20ms
  }
  return NULL;
}
int main() {
  pthread_t tid1, tid2;
  pthread_create(&tid1, NULL, allen, NULL);
  pthread_create(&tid2, NULL, luffy, NULL);
  pthread_join(tid1, NULL);
  pthread_join(tid2, NULL);
  return 0;
}

2.2 编译和运行

$ gcc solve.c -o solve -lpthread
$ ./slove


81-互斥量 mutex_线程


图1 运行结果


从图 1 中可以看到，3 张票是被正常的抢走了，没有产生多抢的现象。luffy 还是比较厉害一点，抢了 2 张票，而 allen 只抢到了一张票，悲催……

3. 总结

  • 理解什么是互斥量，它的作用是什么
  • 掌握两种初始化互斥量的方法
  • 掌握两种对互斥量加锁的方法
  • 掌握解锁方法

练习 1：使用 pthread_mutex_init 函数初始化互斥量，记得用完后回收。
练习 2：使用非阻塞版本的加锁函数修改本文中的实验。