【多线程】线程互斥 互斥量操作 守卫锁 重入与线程安全

Ⅰ. 线程互斥概念

​ 线程互斥（Thread Mutex）是指在多线程并发执行的程序中，为了避免多个线程同时访问临界区（Critical Section）而采用的一种同步机制。临界区是指对共享资源进行访问的代码段（也可以参考上面的概念），例如对共享变量的读写操作等。

​ 线程互斥的目的是保证同一时刻只有一个线程能够进入临界区，以防止多个线程同时对共享资源进行修改，导致数据不一致或者结果出错。一般情况下，采用 互斥锁（Mutex，也称为互斥量） 实现线程互斥，也可以使用其他同步机制，如**信号量（Semaphore）、条件变量（Condition Variable）**等。

基本概念总结：

• 临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源。
• 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区。
• 互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用。
• 原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。

​ 下面我们就分别来学习互斥锁（也称为互斥量，为了统一，下面我们都称为互斥锁！）、条件变量、信号量和一些常见的锁情况！

Ⅱ. 互斥锁的概念

​ 互斥锁（mutex）是一种基本的线程同步机制，用于解决多个线程访问共享资源时可能发生的竞态条件问题。它可以 保证在同一时刻只有一个线程能够获取锁，并进入临界区。当一个线程获取到互斥锁时，其他线程尝试获取该锁时会被阻塞，直到该线程释放锁。

​ 互斥锁提供了两个基本操作：加锁 && 解锁

• 加锁操作用于获取锁，防止其他线程进入临界区。
• 解锁操作用于释放锁，允许其他线程获取锁并进入临界区。

​ 需要注意的是，在使用互斥锁时，应该注意死锁问题。死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放锁，导致程序陷入无限等待的状态。 为了避免死锁问题，应该避免在临界区内调用阻塞操作（如等待信号量、等待条件变量等），并且应该尽可能减小临界区的范围，以避免锁竞争问题。

​ 在 C++ 中，互斥量可以使用标准库中的 std::mutex 类来实现。std::mutex 类提供了两个基本操作：lock() 和 unlock()，分别用于获取锁定状态和释放锁定状态。当一个线程获取了锁定状态后，其他线程将不能再获取锁定状态，直到该线程释放锁定状态。

​ 具体的内容请翻阅 C++ 笔记的讲解！

​ 下面我们看一段代码，就能理解为何需要有互斥锁（下面的 thread.hpp 头文件是线程控制笔记中封装的线程库，可以去翻阅，这里直接调用）：

#include "thread.hpp"
#include <memory>
#include <unistd.h>int ticket = 10; // 全局变量void* thread_routine(void* args)
{string name = static_cast<const char*>(args);while(true){// 票数大于0则抢票，否则退出if(ticket > 0){usleep(12345); // 1秒=10^3毫秒=10^6微秒cout << "i am new thread, name: " << name << "，the ticket: " << ticket << endl;ticket--;}elsebreak;}
}
int main()
{unique_ptr<Thread> t1(new Thread(thread_routine, (void*)"user1", 1));unique_ptr<Thread> t2(new Thread(thread_routine, (void*)"user2", 2));unique_ptr<Thread> t3(new Thread(thread_routine, (void*)"user3", 3));unique_ptr<Thread> t4(new Thread(thread_routine, (void*)"user4", 4));unique_ptr<Thread> t5(new Thread(thread_routine, (void*)"user5", 5));t1->join();t2->join();t3->join();t4->join();t5->join();return 0;
}

​ 上述代码是一个模拟抢票的系统，就是多个线程同时对全局变量 ticket 进行减减操作，而 ticket 也就是我们上面所说的临界资源啦，既然多个线程对 ticket 同时进行操作，那么势必会造成一些竞争条件问题，那么到底是怎么发生这个问题的呢❓❓❓

​ 其实就是因为可能会发生这种情况：当多个线程同时来到 if(ticket > 0) 语句进行判断的时候，此时如果 ticket 已经是 1 了，那么此时假设 线程A 进入了这个语句，但是刚进入的时候就发生了一些情况比如说时间片切换、CPU突然调度一个优先级更高的线程导致该 线程A 等待的情况，这个时候还没将 ticket</