原文地址：
http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/thread/posix_thread2/
POSIX 線程是提高代碼響應(yīng)和性能的有力手段。在此三部分系列文章的第二篇中，Daniel Robbins 將說明，如何使用被稱為互斥對(duì)象的靈巧小玩意，來保護(hù)線程代碼中共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性。
互斥我吧！
在 前一篇文章中 ，談到了會(huì)導(dǎo)致異常結(jié)果的線程代碼。兩個(gè)線程分別對(duì)同一個(gè)全局變量進(jìn)行了二十次加一。變量的值最后應(yīng)該是 40，但最終值卻是 21。這是怎么回事呢？因?yàn)橐粋€(gè)線程不停地“取消”了另一個(gè)線程執(zhí)行的加一操作，所以產(chǎn)生這個(gè)問題。現(xiàn)在讓我們來查看改正后的代碼，它使用 互斥對(duì)象(mutex)來解決該問題：
thread3.c
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int myglobal;
pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thread_function(void *arg) {
int i,j;
for ( i=0; i<20; i++) {
pthread_mutex_lock(&mymutex);
j=myglobal;
j=j+1;
printf(".");
fflush(stdout);
sleep(1);
myglobal=j;
pthread_mutex_unlock(&mymutex);
}
return NULL;
}
int main(void) {
pthread_t mythread;
int i;
if ( pthread_create( &mythread, NULL, thread_function, NULL) ) {
printf("error creating thread.");
abort();
}
for ( i=0; i<20; i++) {
pthread_mutex_lock(&mymutex);
myglobal=myglobal+1;
pthread_mutex_unlock(&mymutex);
printf("o");
fflush(stdout);
sleep(1);
}
if ( pthread_join ( mythread, NULL ) ) {
printf("error joining thread.");
abort();
}
printf("\nmyglobal equals %d\n",myglobal);
exit(0);
}
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解讀一下
如果將這段代碼與 前一篇文章 中給出的版本作一個(gè)比較，就會(huì)注意到增加了 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 函數(shù)調(diào)用。在線程程序中這些調(diào)用執(zhí)行了不可或缺的功能。他們提供了一種 相互排斥的方法（互斥對(duì)象即由此得名）。兩個(gè)線程不能同時(shí)對(duì)同一個(gè)互斥對(duì)象加鎖。
互斥對(duì)象是這樣工作的。如果線程 a 試圖鎖定一個(gè)互斥對(duì)象，而此時(shí)線程 b 已鎖定了同一個(gè)互斥對(duì)象時(shí)，線程 a 就將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。一旦線程 b 釋放了互斥對(duì)象（通過 pthread_mutex_unlock() 調(diào)用），線程 a 就能夠鎖定這個(gè)互斥對(duì)象（換句話說，線程 a 就將從 pthread_mutex_lock() 函數(shù)調(diào)用中返回，同時(shí)互斥對(duì)象被鎖定）。同樣地，當(dāng)線程 a 正鎖定互斥對(duì)象時(shí)，如果線程 c 試圖鎖定互斥對(duì)象的話，線程 c 也將臨時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。對(duì)已鎖定的互斥對(duì)象上調(diào)用 pthread_mutex_lock() 的所有線程都將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這些睡眠的線程將“排隊(duì)”訪問這個(gè)互斥對(duì)象。
通常使用 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 來保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這就是說，通過線程的鎖定和解鎖，對(duì)于某一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確保某一時(shí)刻只能有一個(gè)線程能夠訪問它。可以推測(cè)到，當(dāng)線程試圖鎖定一個(gè)未加鎖的互斥對(duì)象時(shí)，POSIX 線程庫(kù)將同意鎖定，而不會(huì)使線程進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
請(qǐng)看這幅輕松的漫畫，四個(gè)小精靈重現(xiàn)了最近一次 pthread_mutex_lock() 調(diào)用的一個(gè)場(chǎng)面。
圖中，鎖定了互斥對(duì)象的線程能夠存取復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不必?fù)?dān)心同時(shí)會(huì)有其它線程干擾。那個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是“凍結(jié)”了，直到互斥對(duì)象被解鎖為止。pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 函數(shù)調(diào)用，如同“在施工中”標(biāo)志一樣，將正在修改和讀取的某一特定共享數(shù)據(jù)包圍起來。這兩個(gè)函數(shù)調(diào)用的作用就是警告其它線程，要它們繼續(xù)睡眠并等待輪到它們對(duì)互斥對(duì)象加鎖。當(dāng)然，除非在 每個(gè) 對(duì)特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行讀寫操作的語句前后，都分別放上 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutext_unlock() 調(diào)用，才會(huì)出現(xiàn)這種情況。
為什么要用互斥對(duì)象？
聽上去很有趣，但究竟為什么要讓線程睡眠呢？要知道，線程的主要優(yōu)點(diǎn)不就是其具有獨(dú)立工作、更多的時(shí)候是同時(shí)工作的能力嗎？是的，確實(shí)是這樣。然而，每個(gè)重要的線程程序都需要使用某些互斥對(duì)象。讓我們?cè)倏匆幌率纠绦蛞员憷斫庠蛩凇?/p>
請(qǐng)看 thread_function()，循環(huán)中一開始就鎖定了互斥對(duì)象，最后才將它解鎖。在這個(gè)示例程序中，mymutex 用來保護(hù) myglobal 的值。仔細(xì)查看 thread_function()，加一代碼把 myglobal 復(fù)制到一個(gè)局部變量，對(duì)局部變量加一，睡眠一秒鐘，在這之后才把局部變量的值傳回給 myglobal。不使用互斥對(duì)象時(shí)，即使主線程在 thread_function() 線程睡眠一秒鐘期間內(nèi)對(duì) myglobal 加一，thread_function() 蘇醒后也會(huì)覆蓋主線程所加的值。使用互斥對(duì)象能夠保證這種情形不會(huì)發(fā)生。（您也許會(huì)想到，我增加了一秒鐘延遲以觸發(fā)不正確的結(jié)果。把局部變量的值賦給 myglobal 之前，實(shí)際上沒有什么真正理由要求 thread_function() 睡眠一秒鐘。）使用互斥對(duì)象的新程序產(chǎn)生了期望的結(jié)果：
$ ./thread3
o..o..o.o..o..o.o.o.o.o..o..o..o.ooooooo
myglobal equals 40
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為了進(jìn)一步探索這個(gè)極為重要的概念，讓我們看一看程序中進(jìn)行加一操作的代碼：
thread_function() 加一代碼：
j=myglobal;
j=j+1;
printf(".");
fflush(stdout);
sleep(1);
myglobal=j;
主線程加一代碼：
myglobal=myglobal+1;
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如果代碼是位于單線程程序中，可以預(yù)期 thread_function() 代碼將完整執(zhí)行。接下來才會(huì)執(zhí)行主線程代碼（或者是以相反的順序執(zhí)行）。在不使用互斥對(duì)象的線程程序中，代碼可能（幾乎是，由于調(diào)用了 sleep() 的緣故）以如下的順序執(zhí)行：
thread_function() 線程 主線程
j=myglobal;
j=j+1;
printf(".");
fflush(stdout);
sleep(1); myglobal=myglobal+1;
myglobal=j;
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當(dāng)代碼以此特定順序執(zhí)行時(shí)，將覆蓋主線程對(duì) myglobal 的修改。程序結(jié)束后，就將得到不正確的值。如果是在操縱指針的話，就可能產(chǎn)生段錯(cuò)誤。注意到 thread_function() 線程按順序執(zhí)行了它的所有指令。看來不象是 thread_function() 有什么次序顛倒。問題是，同一時(shí)間內(nèi)，另一個(gè)線程對(duì)同一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了另一個(gè)修改。
線程內(nèi)幕 1
在解釋如何確定在何處使用互斥對(duì)象之前，先來深入了解一下線程的內(nèi)部工作機(jī)制。請(qǐng)看第一個(gè)例子：
假設(shè)主線程將創(chuàng)建三個(gè)新線程：線程 a、線程 b 和線程 c。假定首先創(chuàng)建線程 a，然后是線程 b，最后創(chuàng)建線程 c。
pthread_create( &thread_a, NULL, thread_function, NULL);
pthread_create( &thread_b, NULL, thread_function, NULL);
pthread_create( &thread_c, NULL, thread_function, NULL);
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在第一個(gè) pthread_create() 調(diào)用完成后，可以假定線程 a 不是已存在就是已結(jié)束并停止。第二個(gè) pthread_create() 調(diào)用后，主線程和線程 b 都可以假定線程 a 存在（或已停止）。
然而，就在第二個(gè) create() 調(diào)用返回后，主線程無法假定是哪一個(gè)線程（a 或 b）會(huì)首先開始運(yùn)行。雖然兩個(gè)線程都已存在，線程 CPU 時(shí)間片的分配取決于內(nèi)核和線程庫(kù)。至于誰將首先運(yùn)行，并沒有嚴(yán)格的規(guī)則。盡管線程 a 更有可能在線程 b 之前開始執(zhí)行，但這并無保證。對(duì)于多處理器系統(tǒng)，情況更是如此。如果編寫的代碼假定在線程 b 開始執(zhí)行之前實(shí)際上執(zhí)行線程 a 的代碼，那么，程序最終正確運(yùn)行的概率是 99%。或者更糟糕，程序在您的機(jī)器上 100% 地正確運(yùn)行，而在您客戶的四處理器服務(wù)器上正確運(yùn)行的概率卻是零。
從這個(gè)例子還可以得知，線程庫(kù)保留了每個(gè)單獨(dú)線程的代碼執(zhí)行順序。換句話說，實(shí)際上那三個(gè) pthread_create() 調(diào)用將按它們出現(xiàn)的順序執(zhí)行。從主線程上來看，所有代碼都是依次執(zhí)行的。有時(shí)，可以利用這一點(diǎn)來優(yōu)化部分線程程序。例如，在上例中，線程 c 就可以假定線程 a 和線程 b 不是正在運(yùn)行就是已經(jīng)終止。它不必?fù)?dān)心存在還沒有創(chuàng)建線程 a 和線程 b 的可能性。可以使用這一邏輯來優(yōu)化線程程序。
線程內(nèi)幕 2
現(xiàn)在來看另一個(gè)假想的例子。假設(shè)有許多線程，他們都正在執(zhí)行下列代碼：
那么，是否需要在加一操作語句前后分別鎖定和解鎖互斥對(duì)象呢？也許有人會(huì)說“不”。編譯器極有可能把上述賦值語句編譯成一條機(jī)器指令。大家都知道，不可能"半途"中斷一條機(jī)器指令。即使是硬件中斷也不會(huì)破壞機(jī)器指令的完整性。基于以上考慮，很可能傾向于完全省略 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 調(diào)用。不要這樣做。
我在說廢話嗎？不完全是這樣。首先，不應(yīng)該假定上述賦值語句一定會(huì)被編譯成一條機(jī)器指令，除非親自驗(yàn)證了機(jī)器代碼。即使插入某些內(nèi)嵌匯編語句以確保加一操作的完整執(zhí)行――甚至，即使是自己動(dòng)手寫編譯器！-- 仍然可能有問題。
答案在這里。使用單條內(nèi)嵌匯編操作碼在單處理器系統(tǒng)上可能不會(huì)有什么問題。每個(gè)加一操作都將完整地進(jìn)行，并且多半會(huì)得到期望的結(jié)果。但是多處理器系統(tǒng)則截然不同。在多 CPU 機(jī)器上，兩個(gè)單獨(dú)的處理器可能會(huì)在幾乎同一時(shí)刻（或者，就在同一時(shí)刻）執(zhí)行上述賦值語句。不要忘了，這時(shí)對(duì)內(nèi)存的修改需要先從 L1 寫入 L2 高速緩存、然后才寫入主存。（SMP 機(jī)器并不只是增加了處理器而已；它還有用來仲裁對(duì) RAM 存取的特殊硬件。）最終，根本無法搞清在寫入主存的競(jìng)爭(zhēng)中，哪個(gè) CPU 將會(huì)"勝出"。要產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的代碼，應(yīng)使用互斥對(duì)象。互斥對(duì)象將插入一道"內(nèi)存關(guān)卡"，由它來確保對(duì)主存的寫入按照線程鎖定互斥對(duì)象的順序進(jìn)行。
考慮一種以 32 位塊為單位更新主存的 SMP 體系結(jié)構(gòu)。如果未使用互斥對(duì)象就對(duì)一個(gè) 64 位整數(shù)進(jìn)行加一操作，整數(shù)的最高 4 位字節(jié)可能來自一個(gè) CPU，而其它 4 個(gè)字節(jié)卻來自另一 CPU。糟糕吧！最糟糕的是，使用差勁的技術(shù)，您的程序在重要客戶的系統(tǒng)上有可能不是很長(zhǎng)時(shí)間才崩潰一次，就是早上三點(diǎn)鐘就崩潰。David R. Butenhof 在他的《POSIX 線程編程》（請(qǐng)參閱本文末尾的 參考資料部分）一書中，討論了由于未使用互斥對(duì)象而將產(chǎn)生的種種情況。
許多互斥對(duì)象
如果放置了過多的互斥對(duì)象，代碼就沒有什么并發(fā)性可言，運(yùn)行起來也比單線程解決方案慢。如果放置了過少的互斥對(duì)象，代碼將出現(xiàn)奇怪和令人尷尬的錯(cuò)誤。幸運(yùn)的是，有一個(gè)中間立場(chǎng)。首先，互斥對(duì)象是用于串行化存取*共享數(shù)據(jù)*。不要對(duì)非共享數(shù)據(jù)使用互斥對(duì)象，并且，如果程序邏輯確保任何時(shí)候都只有一個(gè)線程能存取特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么也不要使用互斥對(duì)象。
其次，如果要使用共享數(shù)據(jù)，那么在讀、寫共享數(shù)據(jù)時(shí)都應(yīng)使用互斥對(duì)象。用 pthread_mutex_lock() 和 pthread_mutex_unlock() 把讀寫部分保護(hù)起來，或者在程序中不固定的地方隨機(jī)使用它們。學(xué)會(huì)從一個(gè)線程的角度來審視代碼，并確保程序中每一個(gè)線程對(duì)內(nèi)存的觀點(diǎn)都是一致和合適的。為了熟悉互斥對(duì)象的用法，最初可能要花好幾個(gè)小時(shí)來編寫代碼，但是很快就會(huì)習(xí)慣并且*也*不必多想就能夠正確使用它們。
使用調(diào)用：初始化
現(xiàn)在該來看看使用互斥對(duì)象的各種不同方法了。讓我們從初始化開始。在 thread3.c 示例 中，我們使用了靜態(tài)初始化方法。這需要聲明一個(gè) pthread_mutex_t 變量，并賦給它常數(shù) PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER：
pthread_mutex_t mymutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
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很簡(jiǎn)單吧。但是還可以動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建互斥對(duì)象。當(dāng)代碼使用 malloc() 分配一個(gè)新的互斥對(duì)象時(shí)，使用這種動(dòng)態(tài)方法。此時(shí)，靜態(tài)初始化方法是行不通的，并且應(yīng)當(dāng)使用例程 pthread_mutex_init()：
int pthread_mutex_init( pthread_mutex_t *mymutex, const pthread_mutexattr_t *attr)
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正如所示，pthread_mutex_init 接受一個(gè)指針作為參數(shù)以初始化為互斥對(duì)象，該指針指向一塊已分配好的內(nèi)存區(qū)。第二個(gè)參數(shù)，可以接受一個(gè)可選的 pthread_mutexattr_t 指針。這個(gè)結(jié)構(gòu)可用來設(shè)置各種互斥對(duì)象屬性。但是通常并不需要這些屬性，所以正常做法是指定 NULL。
一旦使用 pthread_mutex_init() 初始化了互斥對(duì)象，就應(yīng)使用 pthread_mutex_destroy() 消除它。pthread_mutex_destroy() 接受一個(gè)指向 pthread_mutext_t 的指針作為參數(shù)，并釋放創(chuàng)建互斥對(duì)象時(shí)分配給它的任何資源。請(qǐng)注意， pthread_mutex_destroy() 不會(huì) 釋放用來存儲(chǔ) pthread_mutex_t 的內(nèi)存。釋放自己的內(nèi)存完全取決于您。還必須注意一點(diǎn)，pthread_mutex_init() 和 pthread_mutex_destroy() 成功時(shí)都返回零。
使用調(diào)用：鎖定
pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
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pthread_mutex_lock() 接受一個(gè)指向互斥對(duì)象的指針作為參數(shù)以將其鎖定。如果碰巧已經(jīng)鎖定了互斥對(duì)象，調(diào)用者將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。函數(shù)返回時(shí)，將喚醒調(diào)用者（顯然）并且調(diào)用者還將保留該鎖。函數(shù)調(diào)用成功時(shí)返回零，失敗時(shí)返回非零的錯(cuò)誤代碼。
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
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pthread_mutex_unlock() 與 pthread_mutex_lock() 相配合，它把線程已經(jīng)加鎖的互斥對(duì)象解鎖。始終應(yīng)該盡快對(duì)已加鎖的互斥對(duì)象進(jìn)行解鎖（以提高性能）。并且絕對(duì)不要對(duì)您未保持鎖的互斥對(duì)象進(jìn)行解鎖操作（否則，pthread_mutex_unlock() 調(diào)用將失敗并帶一個(gè)非零的 EPERM 返回值）。
pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)
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當(dāng)線程正在做其它事情的時(shí)候（由于互斥對(duì)象當(dāng)前是鎖定的），如果希望鎖定互斥對(duì)象，這個(gè)調(diào)用就相當(dāng)方便。調(diào)用 pthread_mutex_trylock() 時(shí)將嘗試鎖定互斥對(duì)象。如果互斥對(duì)象當(dāng)前處于解鎖狀態(tài)，那么您將獲得該鎖并且函數(shù)將返回零。然而，如果互斥對(duì)象已鎖定，這個(gè)調(diào)用也不會(huì)阻塞。當(dāng)然，它會(huì)返回非零的 EBUSY 錯(cuò)誤值。然后可以繼續(xù)做其它事情，稍后再嘗試鎖定。
等待條件發(fā)生
互斥對(duì)象是線程程序必需的工具，但它們并非萬能的。例如，如果線程正在等待共享數(shù)據(jù)內(nèi)某個(gè)條件出現(xiàn)，那會(huì)發(fā)生什么呢？代碼可以反復(fù)對(duì)互斥對(duì)象鎖定和解鎖，以檢查值的任何變化。同時(shí)，還要快速將互斥對(duì)象解鎖，以便其它線程能夠進(jìn)行任何必需的更改。這是一種非常可怕的方法，因?yàn)榫€程需要在合理的時(shí)間范圍內(nèi)頻繁地循環(huán)檢測(cè)變化。
在每次檢查之間，可以讓調(diào)用線程短暫地進(jìn)入睡眠，比如睡眠三秒鐘，但是因此線程代碼就無法最快作出響應(yīng)。真正需要的是這樣一種方法，當(dāng)線程在等待滿足某些條件時(shí)使線程進(jìn)入睡眠狀態(tài)。一旦條件滿足，還需要一種方法以喚醒因等待滿足特定條件而睡眠的線程。如果能夠做到這一點(diǎn)，線程代碼將是非常高效的，并且不會(huì)占用寶貴的互斥對(duì)象鎖。這正是 POSIX 條件變量能做的事！
而 POSIX 條件變量將是我下一篇文章的主題，其中將說明如何正確使用條件變量。到那時(shí)，您將擁有了創(chuàng)建復(fù)雜線程程序所需的全部資源，那些線程程序可以模擬工作人員、裝配線等等。既然您已經(jīng)越來越熟悉線程，我將在下一篇文章中加快進(jìn)度。這樣，在下一篇文章的結(jié)尾就能放上一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的線程程序。說到等到條件產(chǎn)生，下次再見！
參考資料
關(guān)于作者
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Daniel Robbins 居住在新墨西哥州的 Albuquerque。他是 Gentoo Technologies, Inc. 的總裁兼 CEO， Gentoo 項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)師，多本 MacMillan 出版書籍的作者，包括： Caldera OpenLinux Unleashed、 SuSE Linux Unleashed和 Samba Unleashed 。Daniel 自小學(xué)二年級(jí)起就與計(jì)算機(jī)結(jié)下不解之緣，那時(shí)他首先接觸的是 Logo 程序語言，并沉溺于 Pac-Man 游戲中。這也許就是他至今仍擔(dān)任 SONY Electronic Publishing/Psygnosis 的首席圖形設(shè)計(jì)師的原因所在。Daniel 喜歡與妻子 Mary 和剛出生的女兒 Hadassah 一起共渡時(shí)光。可通過 drobbins@gentoo.org 與 Daniel 取得聯(lián)系。
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Daniel Robbins 居住在新墨西哥州的 Albuquerque。他是 Gentoo Technologies, Inc. 的總裁兼 CEO， Gentoo 項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)師，多本 MacMillan 出版書籍的作者，包括： Caldera OpenLinux Unleashed、 SuSE Linux Unleashed和 Samba Unleashed 。Daniel 自小學(xué)二年級(jí)起就與計(jì)算機(jī)結(jié)下不解之緣，那時(shí)他首先接觸的是 Logo 程序語言，并沉溺于 Pac-Man 游戲中。這也許就是他至今仍擔(dān)任 SONY Electronic Publishing/Psygnosis 的首席圖形設(shè)計(jì)師的原因所在。Daniel 喜歡與妻子 Mary 和剛出生的女兒 Hadassah 一起共渡時(shí)光。可通過 drobbins@gentoo.org 與 Daniel 取得聯(lián)系。