【多線程】C++ 互斥鎖（mutex）的簡單原理分析

多線程是多任務處理的一種特殊形式，多任務處理允許讓電腦同時運行兩個或兩個以上的程序。一般情況下，分為兩種類型的多任務處理：基於進程和基於線程。

　　1）基於進程的多任務處理是程序的並發執行。

　　2）基於線程的多任務處理是同一程序的片段的並發執行。

多線程程序包含可以同時運行的兩個或多個部分。這樣的程序中的每個部分稱為一個線程，每個線程定義了一個單獨的執行路徑。在多任務操作系統中，同時運行的多個任務可能都需要使用同一種資源。比如說，同一個文件，可能一個線程會對其進行寫操作，而另一個線程需要對這個文件進行讀操作，可想而知，如果寫線程還沒有寫結束，而此時讀線程開始了，或者讀線程還沒有讀結束而寫線程開始了，那么最終的結果顯然會是混亂的。為了保護共享資源，在線程里也有這么一把鎖——互斥鎖（mutex），互斥鎖是一種簡單的加鎖的方法來控制對共享資源的訪問，互斥鎖只有兩種狀態，即上鎖( lock )和解鎖( unlock )。

一、創建線程

在Windows下用C++創建線程需要導入windows.h頭文件，同時調用CreateThread（）函數。如下：

#include <windows.h>
HANDLE thread = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, NULL, 0, NULL);

參數說明：

　　1）In_opt LPSECURITY_ATTRIBUTES：lpThreadAttributes, {安全設置}

　　指向 TSecurityAttributes 結構的指針，一般都是置為NULL，這表示沒有訪問限制。

　　2）In SIZE_T：dwStackSize, {堆棧大小}

　　分配給線程的堆棧大小，每個線程都有自己獨立的堆棧(也擁有自己的消息隊列)。它們都是進程中的內存區域，主要是存取方式不同(棧：先進后出；堆：先進先出)。

　　3）In LPTHREAD_START_ROUTINE：lpStartAddress, {入口函數}

　　線程入口函數的參數是個無類型指針，用它可以指定任何數據。

　　4）In_opt __drv_aliasesMem LPVOID：lpParameter, {函數參數}

　　函數指針，新線程建立后將立即執行該函數，函數執行完畢，系統將銷毀此線程從而結束多線程的程序。

　　5）In DWORD：dwCreationFlags, {啟動選項}

　　啟動選項)有兩個可選值：0（線程建立后立即執行入口函數）；CREATE_SUSPENDED（線程建立后會掛起等待）。

　　6）Out_opt LPDWORD：lpThreadId {輸出線程id}

　　輸出線程句柄ID，注意： 1、線程的 ID 是唯一的；而句柄可能不只一個，比如可以用 GetCurrentThread 獲取一個偽句柄、可以用 DuplicateHandle 復制一個句柄等。2、ID 比句柄更輕便，在主線程中 GetCurrentThreadId、MainThreadID獲取的都是主線程的 ID。

返回值：線程句柄 ，"句柄" 類似指針，但通過指針可讀寫對象，通過句柄只是使用對象；有句柄的對象一般都是系統級別的對象(或叫內核對象)。

二、創建互斥量

互斥量和二元信號量類似，資源僅允許一個線程訪問。與二元信號量不同的是，信號量在整個系統中可以被任意線程獲取和釋放，也就是說，同一個信號量可以由一個線程獲取而由另一線程釋放。而互斥量則要求哪個線程獲取了該互斥量鎖就由哪個線程釋放，其它線程越俎代庖釋放互斥量是無效的。

在使用互斥量進行線程同步時會用到以下幾個函數：

HANDLE WINAPI CreateMutex(
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpMutexAttributes,        //線程安全相關的屬性，常置為NULL
    BOOL                  bInitialOwner,            //創建Mutex時的當前線程是否擁有Mutex的所有權
    LPCTSTR               lpName                    //Mutex的名稱
);

其中，lpMutexAttributes也是表示安全的結構，與CreateThread中的lpThreadAttributes功能相同，表示決定返回的句柄是否可被子進程繼承，如果為NULL則表示返回的句柄不能被子進程繼承。bInitialOwner表示創建Mutex時的當前線程是否擁有Mutex的所有權，若為TRUE則指定為當前的創建線程為Mutex對象的所有者，其它線程訪問需要先ReleaseMutex。lpName為Mutex的名稱。

DWORD WINAPI WaitForSingleObject(
    HANDLE hHandle,                                 //要獲取的鎖的句柄
    DWORD  dwMilliseconds                           //超時間隔
);

其中，WaitForSingleObject的作用是等待一個指定的對象(如Mutex對象)，直到該對象處於非占用的狀態(如Mutex對象被釋放)或超出設定的時間間隔。除此之外，還有一個與它類似的函數WaitForMultipleObjects，它的作用是等待一個或所有指定的對象，直到所有的對象處於非占用的狀態，或超出設定的時間間隔。

BOOL WINAPI ReleaseMutex(HANDLE hMutex);

Handle：要等待的指定對象的句柄。dwMilliseconds：超時的間隔，以毫秒為單位；如果dwMilliseconds為非0，則等待直到dwMilliseconds時間間隔用完或對象變為非占用的狀態，如果dwMilliseconds 為INFINITE則表示無限等待，直到等待的對象處於非占用的狀態。釋放所擁有的互斥量鎖對象，hMutex為釋放的互斥量的句柄。

int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr , int *restrict type);   //獲取互斥鎖類型
int pthread_mutexattr_settype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr , int type);             //設置互斥鎖類型

參數type表示互斥鎖的類型，總共有以下四種類型：
　　1）PTHREAD_MUTEX_NOMAL：標准互斥鎖，第一次上鎖成功，第二次上鎖會失敗並阻塞；
　　2）PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE：遞歸互斥鎖，第一次上鎖成功，第二次上鎖還是會成功，可以理解為內部有一個計數器，每加一次鎖計數器加1，解鎖減1；
　　3）PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK：檢查互斥鎖，第一次上鎖會成功，第二次上鎖出錯返回錯誤信息，不會阻塞；
　　4）PTHREAD_MUTEX_DEFAULT：默認互斥鎖，第一次上鎖會成功，第二次上鎖會失敗。

三、采用互斥鎖實現線程同步

#include <windows.h>
#include <iostream>
 
#define NAME_LINE   40
 
//定義線程函數傳入參數的結構體
typedef struct __THREAD_DATA
{
    int nMaxNum;
    char strThreadName[NAME_LINE];
 
    __THREAD_DATA() : nMaxNum(0)
    {
        memset(strThreadName, 0, NAME_LINE * sizeof(char));
    }
}THREAD_DATA;
 
HANDLE g_hMutex = NULL;     //互斥量
 
//線程函數
DWORD WINAPI ThreadProc(LPVOID lpParameter)
{
    THREAD_DATA* pThreadData = (THREAD_DATA*)lpParameter;
 
    for (int i = 0; i < pThreadData->nMaxNum; ++ i)
    {
        //請求獲得一個互斥量鎖
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
        cout << pThreadData->strThreadName << " --- " << i << endl;
        Sleep(100);
        //釋放互斥量鎖
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }
    return 0L;
}
 
int main()
{
    //創建一個互斥量
    g_hMutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
 
    //初始化線程數據
    THREAD_DATA threadData1, threadData2;
    threadData1.nMaxNum = 5;
    strcpy_s(threadData1.strThreadName, "線程1");
    threadData2.nMaxNum = 10;
    strcpy_s(threadData2.strThreadName, "線程2");
 
 
    //創建第一個子線程
    HANDLE hThread1 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData1, 0, NULL);
    //創建第二個子線程
    HANDLE hThread2 = CreateThread(NULL, 0, ThreadProc, &threadData2, 0, NULL);
    //關閉線程
    CloseHandle(hThread1);
    CloseHandle(hThread2);
 
    //主線程的執行路徑
    for (int i = 0; i < 5; ++ i)
    {
        //請求獲得一個互斥量鎖
        WaitForSingleObject(g_hMutex, INFINITE);
        cout << "主線程 === " << i << endl;
        Sleep(100);
        //釋放互斥量鎖
        ReleaseMutex(g_hMutex);
    }
 
    system("pause");
    return 0;
}