POSIX多线程—互斥量概述

作者：阿波
链接：/article/1451037.html
(整半年没有更新，发几篇以前的读书笔记。)

Content0. 序1. 基本概念2. 互斥量的例子3. 互斥量定义3.1 64位系统3.2 32位系统3.3 pthread_mutex_t结构的内容4. 互斥量初始化与销毁4.1 初始化(1) 静态初始化(2) 动态初始化4.2 销毁互斥量5. 小结 0. 序 本文涉及到的glibc版本为2.11，若无特别说明，.表示glibc-2.11源代码目录，本文为/usr/src/glibc-2.11。 1. 基本概念 临界区：一个存取共享资源的代码段，而这些共享资源无法同时被多个线程访问；即影响共享数据的代码段。 线程同步方法确保对相同/相关数据的内存访问互斥地进行，即一次只能允许一个线程写数据，其他线程必须等待；
Pthreads使用特殊形式的Edsger Dijkstra信号灯——互斥量；
mutex: mutual(相互)，exclusion(排斥)；
2. 互斥量的例子 下图显示了共享互斥量的三个线程的时序图。


说明处于标圆形框之上的线段表示相关的线程没有拥有互斥量；
处于圆形框中心线之上的线段表示相关的线程等待互斥量；
处于圆形框中心线之下的线段表示相关的线程拥有互斥量；
过程描述最初，互斥量没有被加锁；
当线程1试图加锁该互斥量时，因为没有竞争，线程1立即加锁成功，对应线段也移到中心线之下；
然后线程2试图加锁互斥量，由于互斥量已经被加锁，所以线程2被阻塞，对应线段在中心线之上；
接着，线程1解锁互斥量，于是线程2解除阻塞，并对互斥量加锁成功；
然后，线程3试图加锁互斥量，同样被阻塞；
此时，线程1调用函数pthread_mutext_trylock试图加锁互斥量，而立即返回EBUSY；
然后，线程2解锁互斥量，解除线程3的阻塞，线程3加锁成功；
最后，线程3完成工作，解锁互斥量；
3. 互斥量定义 3.1 64位系统 file: /usr/include/bits/pthreadtypes.h

/* Data structures for mutex handling.  The structure of the attribute
   type is not exposed on purpose.  */
typedef union
{
  struct __pthread_mutex_s
  {
    int __lock;
    unsigned int __count;
    int __owner;
#if __WORDSIZE == 64
    unsigned int __nusers;
#endif
    /* KIND must stay at this position in the structure to maintain
       binary compatibility.  */
    int __kind;
#if __WORDSIZE == 64
    int __spins;
    __pthread_list_t __list;
# define __PTHREAD_MUTEX_H***E_PREV      1
#else
    unsigned int __nusers;
    __extension__ union
    {
      int __spins;
      __pthread_slist_t __list;
    };
#endif
  } __data;
  char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
  long int __align;
} pthread_mutex_t;

typedef union
{
  char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T];
  long int __align;
} pthread_mutexattr_t;

该定义来自glibc，其在glibc代码中的位置为./nptl/sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/bits/pthreadtypes.h。64位系统在安装glibc的时候会自动拷贝该文件(x86_64版本)到/usr/include/bits目录。 其中，

# define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T 40
# define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T 4

关于__pthread_list_t(双向链表)和__pthread_slist_t(单向链表)的定义可参考源代码。 3.2 32位系统 file: /usr/include/bits/pthreadtypes.h

/* Data structures for mutex handling.  The structure of the attribute
   type is not exposed on purpose.  */
typedef union
{
  struct __pthread_mutex_s
  {
    int __lock;
    unsigned int __count;
    int __owner;
    /* KIND must stay at this position in the structure to maintain
       binary compatibility.  */
    int __kind;
    unsigned int __nusers;
    __extension__ union
    {
      int __spins;
      __pthread_slist_t __list;
    };
  } __data;
  char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
  long int __align;
} pthread_mutex_t;

typedef union
{
  char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T];
  long int __align;
} pthread_mutexattr_t;

该定义来自glibc，其在glibc代码中的位置为./nptl/sysdeps/unix/sysv/linux/i386/bits/pthreadtypes.h。32位系统在安装glibc的时候会自动拷贝该文件(i386版本)到/usr/include/bits目录。 其中，

#define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T 24
#define __SIZEOF_PTHREAD_MUTEXATTR_T 4

3.3 pthread_mutex_t结构的内容 如下是在64位系统的实验结果。

(gdb) p data.mutex 
$1 = {
  __data = {
    __lock = 0, 
    __count = 0, 
    __owner = 0, 
    __nusers = 0, 
    __kind = 0, 
    __spins = 0, 
    __list = {
      __prev = 0x0, 
      __next = 0x0
    }
  }, 
  __size = '\000' <repeats 39 times>, 
  __align = 0
}

4. 互斥量初始化与销毁4.1 初始化互斥量使用原则：使用前必须初始化，而且只被初始化一次； (1) 静态初始化使用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER声明具有默认属性的静态互斥量；
file: /usr/include/pthread.h

/* Mutex initializers.  */
#if __WORDSIZE == 64
# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
  { { 0, 0, 0, 0, 0, 0, { 0, 0 } } }
# ifdef __USE_GNU
#  define PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
  { { 0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP, 0, { 0, 0 } } }
#  define PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP \
  { { 0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP, 0, { 0, 0 } } }
#  define PTHREAD_ADAPTIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
  { { 0, 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP, 0, { 0, 0 } } }
# endif
#else
# define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \
  { { 0, 0, 0, 0, 0, { 0 } } }
# ifdef __USE_GNU
#  define PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
  { { 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP, 0, { 0 } } }
#  define PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP \
  { { 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP, 0, { 0 } } }
#  define PTHREAD_ADAPTIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP \
  { { 0, 0, 0, PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP, 0, { 0 } } }
# endif
#endif

该文件在glibc代码中的位置为./nptl/sysdeps/pthread/pthread.h。 (2) 动态初始化通过pthread_mutex_init()调用动态初始化互斥量；
使用场合
当使用malloc动态分配一个包含互斥量的数据结构时，应使用动态初始化；
若要初始化一个非缺省属性的互斥量，必须使用动态初始化；
也可动态初始化静态声明的互斥量，但必须保证每个互斥量在使用前被初始化，而且只能被初始化一次；
动态初始化代码可参考./nptl/pthread_mutex_init.c文件。其中__pthread_mutex_init()函数即对mutex的各个feild进行初始化。 4.2 销毁互斥量 使用pthread_mutex_destroy()释放互斥量。 注意当确信没有线程在互斥量上阻塞，且互斥量没有被锁住时，可以立即释放；
不需要销毁一个使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER宏静态初始化的互斥量；
销毁互斥量代码可参考./nptl/pthread_mutex_destroy.c文件。其中__pthread_mutex_destroy()函数设置mutex的相应字段使其不可用。代码如下。

int
__pthread_mutex_destroy (mutex)
     pthread_mutex_t *mutex;
{
  if ((mutex->__data.__kind & PTHREAD_MUTEX_ROBUST_NORMAL_NP) == 0
      && mutex->__data.__nusers != 0)
    return EBUSY;

  /* Set to an invalid value.  */
  mutex->__data.__kind = -1;

  return 0;
}

5 小结 本文简单介绍互斥量的基本概念，如何初始化和销毁及其注意问题。后文分析其加锁、解锁原理。 Reference<Programming with POSIX Threads>