互斥锁/读写锁（Linux）

 一、互斥锁

临界资源概念：

不能同时访问的资源，比如写文件，只能由一个线程写，同时写会写乱。

比如外设打印机，打印的时候只能由一个程序使用。

外设基本上都是不能共享的资源。

生活中比如卫生间，同一时间只能由一个人使用。

必要性： 临界资源不可以共享

两种方法创建互斥锁，静态方式和动态方式
动态方式：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
其中mutexattr用于指定互斥锁属性，如果为NULL则使用缺省属性。
静态方式：
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;锁的销毁：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
在Linux中，互斥锁并不占用任何资源，
因此LinuxThreads中的 pthread_mutex_destroy()除了检查锁状态以外（锁定状态则返回EBUSY）没有其他动作。互斥锁的使用：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)vim 设置代码全文格式化：gg=G

查看线程：

没有加互斥锁： 

#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>FILE* fp;void* testattr(void* arg)
{pthread_detach(pthread_self());printf("This is testattr pthread\n");char str[] = "You read testattr thread\n";char c;int i = 0;while(1){while(i<strlen(str)){c = str[i];int ret = 0;ret = fputc(c,fp);i++;usleep(1);}i = 0;usleep(1);}pthread_exit("testattr exit");
}void* testattr2(void* arg)
{pthread_detach(pthread_self());printf("This is testattr2 pthread\n");char str[] = "I write testattr2 line\n";char c;int i = 0;while(1){while(i<strlen(str)){c = str[i];int ret = 0;ret = fputc(c,fp);i++;usleep(1);}i = 0;usleep(1);}pthread_exit("testattr2 exit");
}int main()
{pthread_t pthread;pthread_t pthread2;int i = 0;void* retv;fp = fopen("1.txt","a+");if(fp == NULL){perror("fp");exit(-1);}pthread_create(&pthread,NULL,testattr,NULL);pthread_create(&pthread2,NULL,testattr2,NULL);while(1){sleep(1);}fclose(fp);return 0;
}

 1.txt中的值：

 加上互斥锁：

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

mutex 参数是一个指向互斥锁对象的指针，该锁对象必须是一个已经初始化的互斥锁。

pthread_mutex_lock 函数尝试对互斥锁进行加锁。如果互斥锁当前没有被锁住，那么调用将成功，该线程将对互斥锁进行加锁并立即返回。如果互斥锁当前被其他线程锁住，那么调用将被阻塞，直到互斥锁被释放。

在加锁之后，线程负责确保在对共享资源的访问完成后调用 pthread_mutex_unlock 函数进行解锁，以允许其他线程获得对互斥锁的访问。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
是一种静态初始化互斥锁的方式。
在使用互斥锁之前，必须对其进行初始化。
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 是一个宏，它在编译时为互斥锁对象提供了默认的初始值。

#include<pthread.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>FILE* fp;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* testattr(void* arg)
{pthread_detach(pthread_self());printf("This is testattr pthread\n");char str[] = "You read testattr thread\n";char c;int i = 0;while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);while(i<strlen(str)){c = str[i];int ret = 0;ret = fputc(c,fp);i++;usleep(1);}pthread_mutex_unlock(&mutex);i = 0;usleep(1);}pthread_exit("testattr exit");
}void* testattr2(void* arg)
{pthread_detach(pthread_self());printf("This is testattr2 pthread\n");char str[] = "I write testattr2 line\n";char c;int i = 0;while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);while(i<strlen(str)){c = str[i];int ret = 0;ret = fputc(c,fp);i++;usleep(1);}pthread_mutex_unlock(&mutex);i = 0;usleep(1);}pthread_exit("testattr2 exit");
}int main()
{pthread_t pthread;pthread_t pthread2;int i = 0;void* retv;fp = fopen("1.txt","a+");if(fp == NULL){perror("fp");exit(-1);}pthread_create(&pthread,NULL,testattr,NULL);pthread_create(&pthread2,NULL,testattr2,NULL);while(1){sleep(1);}fclose(fp);return 0;
}

1.txt中的值： 

动态方式创建互斥锁：
        int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
        其中mutexattr用于指定互斥锁属性，如果为NULL则使用缺省属性。

二、读写锁

必要性：提高线程执行效率

特性：

        写者：写者使用写锁，如果当前没有读者，也没有其他写者，写者立即获得写锁；否则写者将等待，直到没有读者和写者。

        读者：读者使用读锁，如果当前没有写者，读者立即获得读锁；否则读者等待，直到没有写者。

注意：

        同一时刻只有一个线程可以获得写锁，同一时刻可以有多个线程获得读锁。 

        读写锁处于写锁状态时，所有试图对读写锁加锁的线程，不管是读者试图加读锁，还是写者试图加写锁，都会被阻塞。

        读写锁处于读锁状态时，有写者试图加写锁时，之后的其他线程的读锁请求会被阻塞，以避免写者长时间的不写锁

初始化一个读写锁   pthread_rwlock_init读锁定读写锁       pthread_rwlock_rdlock非阻塞读锁定　　   pthread_rwlock_tryrdlock写锁定读写锁      pthread_rwlock_wrlock非阻塞写锁定      pthread_rwlock_trywrlock解锁读写锁         pthread_rwlock_unlock释放读写锁         pthread_rwlock_destroy

int pthread_detach(pthread_t thread);    成功：0；失败：错误号作用：从状态上实现线程分离，注意不是指该线程独自占用地址空间。线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后（不会产生僵尸线程），其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放（自己清理掉PCB的残留资源）。网络、多线程服务器常用。

 示例代码：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>pthread_rwlock_t rwlock;FILE *fp;
void * read_func(void *arg){pthread_detach(pthread_self());printf("read thread\n");char buf[32]={0};while(1){pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);while(fgets(buf,32,fp)!=NULL){printf("%d,rd=%s\n",(int)arg,buf);usleep(1000);}pthread_rwlock_unlock(&rwlock);sleep(1);}}void *func2(void *arg){pthread_detach(pthread_self());printf("This func2 thread\n");char str[]="I write func2 line\n";char c;int i=0;while(1){pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);while(i<strlen(str)){c = str[i];fputc(c,fp);usleep(1);i++;}pthread_rwlock_unlock(&rwlock);i=0;usleep(1);}pthread_exit("func2 exit");}void *func(void *arg){pthread_detach(pthread_self());printf("This is func1 thread\n");char str[]="You read func1 thread\n";char c;int i=0;while(1){pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);while(i<strlen(str)){c = str[i];fputc(c,fp);i++;usleep(1);}pthread_rwlock_unlock(&rwlock);i=0;usleep(1);}pthread_exit("func1 exit");
}int main(){pthread_t tid1,tid2,tid3,tid4;void *retv;int i;fp = fopen("1.txt","a+");if(fp==NULL){perror("fopen");return 0;}pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);pthread_create(&tid1,NULL,read_func,1);pthread_create(&tid2,NULL,read_func,2);
sleep(1);
//读写是抢占，不是按顺序
//有时候一直在调用读，写没排上号
//谁抢上是谁,所以加上sleep(1)pthread_create(&tid3,NULL,func,NULL);pthread_create(&tid4,NULL,func2,NULL);while(1){    sleep(1);} }

1. 文件和锁的初始化：

   • 该程序以附加模式（"a+"）打开名为"1.txt"的文件，使用fopen。如果文件不存在，它尝试创建它。
   • 使用pthread_rwlock_init初始化读写锁。

2. 线程函数：

   • read_func：该函数负责从文件中读取。它不断从文件中读取行并将它们打印到控制台。它使用读锁以确保它可以与其他读取器并发读取，但在读取正在进行时不能写入。
   • testattr和testattr1：这些函数不断将预定义的字符串写入文件。它们使用写锁以确保只有其中一个可以同时写入文件。

3. 主函数：

   • 它创建五个线程：两个用于读取（pthread2和pthread3），三个用于写入（pthread，pthread1和主线程）。
   • 主线程进入一个无限循环（while(1)）以使程序无限期运行。

4. 线程分离：

   • 使用pthread_detach(pthread_self())分离每个线程，以在线程退出时自动回收资源。

5. 线程同步：

   • 读写操作由读写锁（pthread_rwlock_rdlock和pthread_rwlock_wrlock）保护，以确保正确的同步并避免数据损坏。

6. 文件操作：

   • 文件操作使用标准文件I/O函数（fgets用于读取，fputc用于写入）。

7. 睡眠和延迟：

   • 使用usleep和sleep引入操作之间的延迟，以更好地展示并发行为。

8. 主函数中的无限循环：

   • 通过带有sleep(1)延迟的无限循环，保持主线程处于活动状态。

那读写的顺序是什么？

         在这个程序中，有两个读线程 (read_func) 和两个写线程 (testattr 和 testattr1)，以及主线程。读线程和写线程是同时运行的，并且使用了读写锁 (pthread_rwlock_t rwlock) 来确保对文件的安全访问。

• 读线程 (read_func) 在一个无限循环中，通过 pthread_rwlock_rdlock 获取读锁，然后通过 fgets 从文件中读取内容。读操作完成后，通过 pthread_rwlock_unlock 释放读锁。这表示读线程首先获取读锁，然后读取文件内容。

• 写线程 (testattr 和 testattr1) 在一个无限循环中，通过 pthread_rwlock_wrlock 获取写锁，然后通过 fputc 向文件写入内容。写操作完成后，通过 pthread_rwlock_unlock 释放写锁。这表示写线程首先获取写锁，然后写入文件内容。

        总体而言，程序中的读线程和写线程是同时运行的，但是通过使用读写锁，可以确保对文件的安全访问，防止读和写操作之间的冲突。

注意：

读线程 (read_func) 在读取文件时获取读锁 (pthread_rwlock_rdlock)，
这时其他读线程也可以同时获取读锁。
这允许多个读线程同时读取文件内容，因为读操作不会互斥。

在使用读写锁时，写线程获得写锁时会阻塞其他写线程和读线程，
以确保在写入文件时不会同时有其他线程读或写。在这个程序中，当一个线程（写线程）获得写锁时，
其他线程（包括读线程和其他写线程）都会被阻塞，直到写线程释放写锁。所以，写线程会独占地访问文件，直到它完成写入并释放写锁。
这种方式确保了写的原子性，防止多个写线程之间和读线程之间的竞争条件。

为什么需要读锁？

虽然读操作本身不会改变数据，但如果在读的同时有其他线程在写，就可能读到不一致或不准确的数据。
因此，在多线程环境下，为了确保数据的一致性，读操作也需要进行同步，而这就是使用读写锁的原因。

上述的程序中，pthread_rwlock_rdlock 用于获取读锁，而 pthread_rwlock_unlock 用于释放读锁。
这样做的目的是：通过获取读锁，确保在读取文件内容时不会被写线程中断，避免了读线程和写线程之间的竞态条件。释放读锁，以允许其他读线程或写线程访问文件。使用读写锁可以实现多个线程同时读取文件，但在写线程写入时阻塞读线程，以保证对文件的安全访问。
这种同步机制确保了对共享资源的正确和一致的访问。

为什么此代码只需要一个读的回调函数？

在这个特定的程序中，可能只需要一个读回调函数。
读回调函数负责获取读锁，读取文件内容，然后释放读锁，以确保在读的过程中其他线程不会写入文件。
由于读操作本身不修改数据，多个读线程可以并发地执行。写操作则需要更谨慎地处理，因为写线程在写入时需要独占访问，避免与其他写线程或读线程发生冲突。
因此，写回调函数需要获取写锁，执行写操作，然后释放写锁。

这里为什么需要usleep(1000)?

usleep(1000); 的目的是让读线程休眠一毫秒（1000微秒）。
这样的操作通常是为了减缓循环的执行速度，以避免过于频繁地执行文件读取操作。
usleep 函数用于在指定的微秒数内挂起当前线程的执行。