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隨著計算機硬件的高速發(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)用程序開發(fā)中的必備技術(shù)。同時，多線程編程也帶來了一些新的問題，例如多線程之間的資源競爭、數(shù)據(jù)同步等。為了解決這些問題，操作系統(tǒng)提供了一些線程同步的機制，比如互斥鎖、信號量、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制，它可以確保在任意時刻只有一個線程訪問共享資源，從而避免多個線程同時訪問共享資源而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯誤。具體來說，當一個線程需要訪問共享資源時，它先嘗試獲取互斥鎖，如果鎖已經(jīng)被其他線程獲取，則當前線程會阻塞等待鎖被釋放。當鎖被釋放后，當前線程再次嘗試獲取鎖，如果獲取成功，則該線程可以開始訪問共享資源。
互斥鎖的使用需要遵守以下幾個原則：
1） 盡量縮小互斥鎖保護的數(shù)據(jù)范圍，避免不必要的線程阻塞和鎖競爭；
2） 確保每個訪問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)庫函數(shù)。然而，直接使用互斥鎖有時會存在一些問題，例如使用不當容易導(dǎo)致死鎖或饑餓問題，而且代碼冗長，不便于維護。
為了解決這些問題，我們可以對互斥鎖進行封裝，以提供更為安全、簡單、易用的接口。以下是一個簡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名為Mutex的類，這個類封裝了一個互斥鎖pthread_mutex_t mutex_。類的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)分別對互斥鎖進行初始化和銷毀。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現(xiàn)多線程同步。例如，以下代碼展示了一個線程安全的計數(shù)器實現(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，我們定義了一個全局的計數(shù)器count和一個Mutex對象g_mutex，并創(chuàng)建了兩個線程執(zhí)行worker()函數(shù)。在worker()函數(shù)中，我們使用互斥鎖保護計數(shù)器count的訪問，以避免多線程訪問的競爭和錯誤。
3.
相關(guān)問題拓展閱讀：
- Linux下各種鎖的理解和使用及總結(jié)解決epoll驚群問題(面試?？?-
- linux下信號量和互斥鎖的區(qū)別
Linux下各種鎖的理解和使用及總結(jié)解決epoll驚群問題(面試?？?-
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于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于臨界資源做寫入操作.
鎖 ： 保證同一時刻只能有一個線程對于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(jié)果，這個結(jié)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 +結(jié)果肯定應(yīng)該是呀，可以就是達不到這個值
為何？ (深入?yún)R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(shù)據(jù)少，操作的線程少，問跡叢題倒是不大，想一想要是這樣的情況下，操作次數(shù)大，對齊操作的線程多，有些線程從中間切入進來了，在運算之后還沒寫回內(nèi)存就另外一個線程切入進來同時對于之前的數(shù)據(jù)進行++ 再寫回內(nèi)存, 啥效果，多次++ 操作之后結(jié)果確實一次加加操作后的結(jié)果。 這樣的操作 (術(shù)語叫做函數(shù)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(jié)果寫回內(nèi)存就重新對這個內(nèi)存讀取再運算寫姿答櫻入，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入其他的線程運算. （要想自己在執(zhí)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?。。?/p>
不會原子操作？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于如下的臨界資源)
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(shù)據(jù)，進行寫入操作，所以會在取數(shù)據(jù)前先加鎖保護，當其他線程想要訪問數(shù)據(jù)時，被阻塞掛起
樂觀鎖：每次取數(shù)據(jù)的時候，總是樂觀地認為數(shù)據(jù)不會被其他線程修改，因此不上鎖。但是在更新數(shù)據(jù)前， 會判斷其他數(shù)據(jù)在更新前有沒有對數(shù)據(jù)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
特征，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(zhí)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(fā)現(xiàn)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占用，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… （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(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，一旦釋放出來我立馬就可以直接使用 (因為我并沒有掛起等待，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(fù)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：如果每一個線程都僅僅只是需要短時間獲取這個鎖，那我自旋占據(jù)CPU等待是沒啥問題地。要是線程需要長時間地使用占據(jù)（鎖）。。。 會造成過多地?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(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，但是又沒法釋放)
自旋鎖的使用函數(shù)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一樣的四處逃竄。 這個就是驚群的生活一點的理解
驚群現(xiàn)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(jiān)視一個listenfd 然后此刻 listenfd 說來 SYN了，放在了SYN隊列中，然后完成了三次握手放在了 accept隊列中了, 現(xiàn)在問題是這個connect我應(yīng)該交付給哪一個線程處理呢.
多個epoll監(jiān)視準備工作的線程 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線程換成多個進程共享監(jiān)視 同一個 listenfd 就是(多進程的epoll驚群現(xiàn)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(jīng)被Linux內(nèi)核處理了: 當有新的連接進入到accept隊列的時候，內(nèi)核喚醒且僅喚醒一個進程來處理
但是對于epoll的驚群問題，內(nèi)核卻沒有直接進行處理。哪既然內(nèi)核沒有直接幫我們處理，我們應(yīng)該如何針對這種現(xiàn)象做出一定的措施呢?
驚群效應(yīng)帶來的弊端: 驚群現(xiàn)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占用CPU地。。。 但是一旦喚醒就會占用CPU去處理發(fā)生地IO事件， 但是其實是一個偽喚醒，這個就是對于線程或者進程的無效調(diào)度。然而進程或者線程地調(diào)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是用來支持高并發(fā)地，但是現(xiàn)在卻被用來無效地喚醒，對于多核CPU簡直就是一種浪費 （浪費系統(tǒng)資源） 還會影響系統(tǒng)的性能.
解決方式（一般是兩種）
Nginx的解決方式:
加鎖：驚群問題發(fā)生的前提是多個進程（線程）監(jiān)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(jiān)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(yīng)一個listensock 而是多線程共享一個listensock 運行結(jié)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(yīng)一個listensock；每一個線程一個獨有的監(jiān)視窗口，將問題拋給內(nèi)核去處理，讓內(nèi)核去負載均衡 ： 結(jié)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，以及為什么需要鎖，鎖本質(zhì)就是為了保護，持有鎖你就有權(quán)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(zhì)其實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(yīng)我們地實際問題就是， 多個線程或者進程共同監(jiān)視同一個listensock。。。。然后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(tǒng)資源被浪費
處理方式 一。 Nginx 源碼加互斥鎖處理。。 二。設(shè)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(nèi)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
linux下信號量和互斥鎖的區(qū)別
信號量用在多線程多任務(wù)同步的，一個線程完成了某一個動作就通過信號量告訴別的線程，別的線程再進行某些動作（大家都族滲團在semtake的時候，就阻塞在哪里）。
而互斥鎖是用在多線程多任務(wù)互斥的，一個線程占用了某一個資源，那么別的線程就無法訪問，直到這個線程unlock，其他的線程才開始可以利用這個資源。比如對全局變量的訪問，有時要加鎖，操作完喊蔽了，在解鎖。
有的時候鎖和信號量會同時使用的兆橘。我記得以前做的一個項目就是既有semtake，又有l(wèi)ock。
信號量與互斥鎖之間的區(qū)冊跡別：
1.
互斥量用于線程的互斥，信號量用于線程的同步。
這是互斥量和信號量的根本區(qū)別，也就是互斥和同步之間的區(qū)別。
互斥：是指某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無數(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），通過其它機制實現(xiàn)訪問者對資源的有序訪問。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實現(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訪問者同時訪問資源
2.
互斥量值只能為0/1，信號量值可以為非負整數(shù)。
也就是說，一個互斥量只能用于一個資源的互斥訪問，它不能實現(xiàn)多個資源的多線程互斥問題。信號量可以實現(xiàn)多個同類資源的多線程互斥和同步。當信號量為單值信號量是，也可以完成一個資源的互斥訪問。
3.
互斥量的加鎖和解鎖必須由同一線程分別對應(yīng)使用，信號量可以由一個線程釋放，另一個線程得到。
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新聞名稱：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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