互斥量（mutex）

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”，即不加锁也可以访问，但是不要这样做），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但并没有强制限定。因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。在Linux操作系统中，用户层面上编程使用的所有锁都是建议锁，不具有强制性，因此访问共享数据的所有线程（进程）都应该先加锁才能访问。

主要应用函数：

pthread_mutex_init函数         pthread_mutex_destroy函数

pthread_mutex_lock函数         pthread_mutex_trylock函数

pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。     

pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。初始化完成后该值为1；加锁后变为0，解锁后又变为1。

（1）pthread_mutex_init函数

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

作用：初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1。参数1：传出参数，调用时应传 &mutex；参数2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性（线程间共享），可参考APUE.12.4同步属性。

restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改。

静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化：pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；动态初始化：局部变量必须采用动态初始化：pthread_mutex_init(&mutex, NULL)。

（2）pthread_mutex_destroy函数

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

作用：销毁一个互斥锁，即释放资源。

（3）pthread_mutex_lock函数

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

作用：加锁。可理解为将mutex--（或-1）。

（4）pthread_mutex_unlock函数

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

作用：解锁。可理解为将mutex ++（或+1）。

（5）pthread_mutex_trylock函数

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

作用：尝试加锁。lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。       trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。因此，trylock函数要保证能够加锁成功需要采用轮询的方式（每隔一段时间去尝试加锁一次），与lock的区别就是不阻塞，类似于wait与waitpid函数。

lock与unlock： lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。

可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--。unlock将mutex++。

看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱：

//线程之间共享资源stdout（标准输出）

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex;      //定义锁，全局变量

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));

    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);    //加锁

        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);       /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/
        printf("world\n");
  
        pthread_mutex_unlock(&mutex);   //解锁

        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    int flg = 5;
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);   // mutex=1
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    while (flg--) {

        pthread_mutex_lock(&mutex);  //加锁

        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD\n");

        pthread_mutex_unlock(&mutex);   //解锁

        sleep(rand() % 3);

    }
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex);   //销毁，注意不要忘记

    return 0;
}
           

//采用mutex锁机制的输出情况

[[email protected] 02_pthread_sync_test]# ./mutex

HELLO WORLD

hello world

HELLO WORLD

HELLO WORLD

hello world

HELLO WORLD

HELLO WORLD

hello world

hello world

//不采用mutex锁机制的输出情况（删除上述程序中的锁）

[[email protected] 02_pthread_sync_test]# ./mutex

HELLO hello world

WORLD

HELLO hello WORLD

HELLO world

hello world

WORLD

hello HELLO WORLD

HELLO world

WORLD

分析：

1. 注意srand( time(NULL) );  rand( )函数的用法：产生非假随机数；
2. 两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock。如果将unlock挪至第二个sleep函数后面，发现交替现象很难出现。这是因为线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。因此：在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。