pthread mutex

多 thread 程式有一個好處是全域變數在 process 內是共用的，不需要跨 process 共用機制，但存取時要避免衝突產生，其中一種方式是使用 mutex (mutual exclusion) 來建立 critical section，來同步共用資源的使用。

如果變數只是一個 int 且只有一個 thread 會改變它，其它都只是讀 => 沒有同步問題

mutex 只有兩種狀態：locked 及 unlocked。一個 mutex，只有一個 thread 可以取得 lock，此時只有它可以 unlock。其它 thread 要 lock 需等候。一般不能有下列行為：

1. 一個 thread lock 同一個 mutex 兩次：可能產生 deadlock (Linux 預設) 或回傳錯誤碼 EDEADLK。
2. 一個 thread unlock 不是它 lock 的 mutex
3. 一個 thread unlock 還沒 lock 的 mutex

Mutex Deadlock： 有兩個以上的 mutex，當多個 thread 同時 lock 這些 mutex 時，由於 lock 哪個 mutex 的順序關係而造成 deadlock。

建立

mutex 是資料型態為 pthread_mutex_t 的變數，可以靜態或動態初始化：

靜態，初始化為 unlock。

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

動態初始化，可設 attr。如用預設值，attr 可為 NULL。不再使用時，應該要回到 unlocked 狀態後 destroy。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

成功時回傳 0 或正的錯誤碼。

pthread_mutexattr_init()
pthread_mutexattr_destroy()

Locking 和 Unlocking

pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)：等候到 mutex unlock 後，lock 並馬上 return。

pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)：unlock 自己 thread 之前 lock 的 mutex。

另外還有兩種 lock 的變形
pthread_mutex_trylock()：如果已經 lock，回 EBUSY。
pthread_mutex_timedlock()：等候 abstime 還未取得 lock，回 ETIMEDOUT。

參考

1. 《The Linux Programming Interface》chap. 30
2. https://computing.llnl.gov/tutorials/pthreads/#Mutexes
3. semaphore 也可以建立 critical section，但效能沒 mutex 好。
4. 比較 pthread_spin_lock() (pthread_spin_trylock())：適合 lock 的時間極短 (例如只是計數加 1)，很少發生 contention，常用到而有可能成為效能瓶頸。spinlock 無關乎 thread 切換，lock 失敗時 thread 不會造成 sleep，一可以取得時可以馬上取得 (前提是沒有 thread 切換，但是事實上需要另一個釋出 lock 的 thread，特別是 uni-processor，所以勢必忙於等待 thread 切換，反而可能等候更久)。unlock 時不會檢查其它 thread 是否在等待需喚醒，只是一個 atomic write instruction。
5. pthread_cond_init()
6. barrier
7. pthread_rwlock_init()：
   • Read lock 只要在沒有 Write lock 就可以，可有多個。
   • Write lock 要在沒有任何 Read 和 Write lock 下才可以，可能因為一直有新舊 Read lock 而導致 starvation。
8. mutex 用在跨 process：mutex between processes