互斥量的概念

互斥量（mutex）是一種同步原語(yǔ)，用于保護(hù)多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)共享數(shù)據(jù)?；コ饬刻峁┆?dú)占的、非遞歸的所有權(quán)語(yǔ)義：一個(gè)線(xiàn)程從成功調(diào)用lock或try_lock開(kāi)始，到調(diào)用unlock結(jié)束，都擁有互斥量。

何為原子性操作

程序的原子性指：整個(gè)程序中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不可能停滯在中間某個(gè)環(huán)節(jié)。

原子性在一個(gè)操作是不可中斷的，要么全部執(zhí)行成功要么全部執(zhí)行失敗，有著 “同生共死” 的感覺(jué)。在多個(gè)線(xiàn)程一起執(zhí)行的時(shí)候，一個(gè)操作一旦開(kāi)始，就不會(huì)被其他線(xiàn)程所干擾

如果要保證原子性，必須符合以下兩條規(guī)則：

運(yùn)算結(jié)果并不依賴(lài)于變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有一個(gè)線(xiàn)程修改變量的值。

變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。

原理探究

首先給出一段加鎖場(chǎng)景的部分代碼：

void route(ThreadData *td)
{
    // 加鎖
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&td->_mutex);    // 加鎖
        if (td->_tickets > 0)
        {
            // 模擬一次搶票的邏輯
            usleep(1000);
            printf("%s running, get tickets: %d\n", td->_name.c_str(), td->_tickets);
            td->_tickets--;
            pthread_mutex_unlock(&td->_mutex); // 解鎖
            td->_total++;
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&td->_mutex); // 解鎖
            break;
        }
    }
}

上面這段代碼模擬了搶票邏輯，將多線(xiàn)程并行搶票通過(guò)鎖的加入變?yōu)榇袌?zhí)行，有效避免了惡意數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)(data race)。

我們不妨假定有兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)執(zhí)行到 加鎖指令 位置：

（上圖左側(cè)部分為加鎖和解鎖對(duì)應(yīng)的匯編語(yǔ)言代碼，其中每一行簡(jiǎn)單匯編指令的執(zhí)行都是原子的）

不妨設(shè)定 thread-1 先進(jìn)入 lock 邏輯 (thread-2先進(jìn)入同理，不影響推斷)：

（這里的先進(jìn)入 lock 邏輯，實(shí)際上指的是先執(zhí)行左側(cè)匯編語(yǔ)言中 xchgb &al, mutex 語(yǔ)句）

這就意味著 thread-1先執(zhí)行交換語(yǔ)句，將系統(tǒng)指定初始的 mutex 值 (存儲(chǔ)在內(nèi)存中) 與寄存器初始值 0 進(jìn)行交換，從而寄存器中值變?yōu)?。

由于匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)單語(yǔ)句的單行執(zhí)行是原子的，此時(shí)thread-1 已經(jīng)執(zhí)行完 xchgb &al, mutex 語(yǔ)句，所以不排除 thread-2 緊接著也執(zhí)行 xchgb &al, mutex 語(yǔ)句的可能。（線(xiàn)程被切換的時(shí)機(jī)是隨時(shí)的）

這時(shí)我們需要注意：

• CPU寄存器的硬件只有一套，但是寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，屬于線(xiàn)程的硬件上下文 ！
• 數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲(chǔ)時(shí)，所有線(xiàn)程都能訪(fǎng)問(wèn)，屬于共享資源，但是當(dāng)數(shù)據(jù)從內(nèi)存移動(dòng)到寄存器時(shí)，就屬于一個(gè)線(xiàn)程私有了 ！

當(dāng)執(zhí)行線(xiàn)程從 thread-1 變?yōu)?thread-2 時(shí)，隸屬于 thread-1 的寄存器硬件上下文被取走，thread-1::%al 寄存器值為1，CPU內(nèi)%al寄存器值恢復(fù)為空。

所以，當(dāng) thread-2 執(zhí)行 xchgb &al, mutex 語(yǔ)句時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)到寄存器內(nèi)存儲(chǔ)的內(nèi)容為自身線(xiàn)程所屬寄存器的初始值（thread-2 先前執(zhí)行了 moveb $0, %al ，所以初始值為0），由于內(nèi)存中 mutex 初始值1已經(jīng)被 thread-1 交換取走，此時(shí)內(nèi)存中 mutex 的值為0，進(jìn)行交換后 %al寄存器 中的值依然為0。

經(jīng)過(guò)匯編的下層判斷語(yǔ)句 if(%al寄存器內(nèi)容 > 0) 不符合條件，故 thread-2 沒(méi)有成功獲得鎖，需要執(zhí)行 goto lock 語(yǔ)句重新申請(qǐng)鎖的資源。

綜上我們可以看到，所有線(xiàn)程在爭(zhēng)鎖的時(shí)候，只有一個(gè) 1 ?。?！

至此，我們發(fā)現(xiàn) thread-2 想要繼續(xù)執(zhí)行，就必須等待 thread-1 釋放鎖，所以程序的執(zhí)行流程就由 thread-1 執(zhí)行到釋放鎖結(jié)束后，將內(nèi)存中 mutex 變量置為1，thread-2 才終止等待，獲得 thread-1 釋放的鎖后，執(zhí)行自身的代碼邏輯。

引入鎖的用途就是為了解決并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)出現(xiàn)的問(wèn)題，其問(wèn)題的本質(zhì)是多個(gè)執(zhí)行流同時(shí)執(zhí)行訪(fǎng)問(wèn)全局?jǐn)?shù)據(jù)的代碼造成的。使用鎖保護(hù)全局共享資源的本質(zhì)是通過(guò)保護(hù)臨界區(qū)完成的

以上就是深入探究C/C++中互斥量(鎖)的實(shí)現(xiàn)原理的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C/C++互斥量(鎖)實(shí)現(xiàn)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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