1 互斥量簡介

互斥量是Linux線程間數據同步最主要和最常用的手段，能夠確保同一時間只有一個線程訪問數據。互斥量本質上就是一把鎖，當線程需要訪問數據時就啟用互斥量（加鎖），訪問完成后再釋放互斥量（解鎖）。對數據加鎖之后，其他線程不能訪問該數據，當然了也不能對該數據再次加鎖，這樣就保證任何時刻只有一個線程訪問共享數據。

如果線程嘗試對一個已經加鎖的數據再次加鎖，那么將會被阻塞，直到該數據解鎖為止。如果在解鎖時有一個以上的線程被阻塞，那么所有該鎖上的被阻塞線程都會變成可運行狀態，第一個變為運行的線程就可以對互斥量加鎖，其他的被阻塞線程將會繼續被阻塞只能繼續等待。這樣就保證了多個被阻塞的線程每次只有一個線程繼續運行。

只有將所有的線程都設計成按相同的規則加鎖解鎖才能保證加鎖的可靠性。所有的線程在訪問數據時都必須得到鎖才能訪問互斥量。如果允許其中一個線程在沒有得到鎖的情況下也可以訪問共享數據，那么其他的線程在使用共享數據之前都申請鎖，也還是會出現數據不一致的問題。

2 互斥量相關API函數簡介

下面對POSIX標準下的互斥量的標準API進行簡介。

2.1創建互斥量

互斥量是pthread_mutex_t類型的。互斥量既可以像靜態變量那樣分配，也可以在運行時動態創建（比如通過malloc（）在一塊內存中分配）。對于靜態初始化把常量PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER賦值給互斥量。

pthread_mutex_t  mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

對于動態創建互斥量可以調用函數pthread_mutex_init()來完成。函數格式如下：

#include<pthread.h>
int  pthread_mutex_init( pthread_mutex_t  *restrict mutex, 
                         const pthread _mutexattr_t  *restrict  attr);

參數說明：
mutex —— 創建的互斥量
attr —— 互斥量屬性，NULL代表互斥量的各種屬性取默認值。
返回值：初始化成功返回0；否則返回錯誤編號。

2.2 銷毀互斥量

當不需要自動或者動態分配的互斥量時，必須使用pthread_mutex_destroy()函數將其銷毀。函數格式如下：

#include<pthread.h>
int  pthread_mutex_destroy( pthread_mutex_t  * mutex );

參數說明：
mutex —— 需要銷毀的的互斥量

2.3 加鎖
采用函數pthread_mutex_lock()來對互斥量加鎖。如果互斥量已經加鎖，調用線程將阻塞直到互斥量解鎖。函數格式如下：

#include<pthread.h>
int  pthread_mutex_lock( pthread_mutex_t  * mutex );

參數說明：
mutex —— 需要加鎖的的互斥量
返回值：加鎖成功返回0；否則返回錯誤編號。

如果線程不希望被阻塞，可以調用pthread_mutex_trylock()來嘗試加鎖。如果調用pthread_mutex_trylock()函數時，互斥量處于未鎖住狀態，那么直接對互斥量加鎖，如果互斥量已經處于鎖住狀態，則pthread_mutex_trylock()就會失敗，不能對互斥量進行加鎖，返回EBUSY。函數具體格式如下：

#include<pthread.h>
int  pthread_mutex_trylock( pthread_mutex_t  * mutex );

參數說明：
mutex —— 需要嘗試加鎖的互斥量
返回值：加鎖成功返回0；否則返回EBUSY。

當線程試圖訪問一個已經加鎖的互斥量時，函數pthread_mutex_timedlock()允許設定線程阻塞時間。pthread_mutex_timedlock()函數與pthread_mutex_lock()函數基本上是等價的，但是在達到超時時間值時，pthread_mutex_timedlock()不會對互斥量進行加鎖，而是返回錯誤碼ETIMEOUT。函數原型如下：

#include<pthread.h>
int  pthread_mutex_timedlock( pthread_mutex_t  *restrict  mutex,
                               const struct timespec  *restrict  tsptr );

參數說明：
mutex —— 需要加鎖的互斥量
tsptr —— 超時時間，線程愿意等待的絕對時間（與相對時間對比而言，指定在時間X之前可以等待，而不是愿意阻塞Y秒），用timespec結構來表示的（用秒和納秒來描述時間）。
返回值：加鎖成功返回0；否則返回EBUSY。

2.4 解鎖

如果線程對互斥量訪問結束，需要調用函數pthread_mutex_unlock()對互斥量進行解鎖。下列行為均屬于錯誤應該避免：對未加鎖的信號量解鎖，解鎖其他線程鎖定的互斥量。函數格式如下：

#include<pthread.h>
int  pthread_mutex_unlock( pthread_mutex_t  * mutex );

參數說明：
mutex —— 需要解鎖的互斥量
返回值：解鎖成功返回0；否則返回錯誤編號。

3 避免死鎖

互斥量使用不當就會形成死鎖，造成程序運行故障。通常情況下，以下情形會造成死鎖：

（1）線程試圖對同一個互斥量加鎖兩次，此線程將會陷入死鎖狀態；
（2）兩個線程都需要先獲得對方已經加鎖的互斥量才能繼續往前運行，那么這兩個線程就會互相阻塞，形成死鎖。

在設計編寫程序時，要避免死鎖情況的產生。常用的方法就是定義互斥量的層級關系。當多個線程對一組互斥量操作時，總以相同順序對該組互斥量進行鎖定，也就是仔細控制互斥量加鎖順序可以避免死鎖的產生。

有時候由于程序結構的限制，對互斥量進行排序很困難。這種情況下可以嘗試先釋放占有的鎖，然后過一段時間再試。可以使用pthread_mutex_trylock函數。如果占有鎖，使用pthread_mutex_trylock嘗試加新鎖成功，則程序繼續進行，如果失敗，可以先釋放已經占有的鎖，然后過一段時間再試。

4 例程

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

//定義互斥量
pthread_mutex_t mtx_counter;

//定義互斥量屬性
pthread_mutexattr_t mtx_attr;

//定義全局變量
int counter;

void err_exit(const char *err_msg)
{
    printf("\r\n error:%s! exit!\r\n",err_msg);
    exit(1);
}

//創建線程
void *thread_fun(void *arg)
{
    while(1)
    {
        //加鎖
        pthread_mutex_lock( &mtx_counter );
        printf(" Child thread , enter critical,  counter = %d \n", counter);
        if(counter == 10)
        {
            counter = 0;
            printf("\r\n Operate is done, counter = %d \r\n",counter);
        }

        //解鎖
        pthread_mutex_unlock( &mtx_counter );

         sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;

    //初始化互斥量
    if(pthread_mutex_init(&mtx_counter, NULL) == -1)
    {
        err_exit("pthread_mutex_init()");
    }

    //創建一個線程
    if(pthread_create(&tid, NULL, thread_fun, NULL) == -1)
    {
        err_exit("pthread_create()");
    }

    counter = 0;

    while(1)
    {
       //加鎖
       pthread_mutex_lock( &mtx_counter );  

        if(counter < 10)
        {
            counter = counter + 1;
            printf(" mainthread, counter = %d \n",counter);
        }
       //解鎖
       pthread_mutex_unlock( &mtx_counter );

        sleep(1);
    }
    return 0;
}

程序有兩個線程。主線程對全局變量counter加1，子線程檢查counter是否加到10，如果加到10則把counter賦值為0。兩個線程在訪問全局變量counter時都加了鎖對臨界區進行了保護。程序運行結果如圖所示。