mutex详解

理发师问题：
理发店理有一位理发师、一把理发椅和n把供等候理发的顾客坐的椅子
如果没有顾客，理发师便在理发椅上睡觉
一个顾客到来时，它必须叫醒理发师
如果理发师正在理发时又有顾客来到，则如果有空椅子可坐，就坐下来等待，否则就离开。
解法：
引入3个信号量和一个控制变量：
1)控制变量waiting用来记录等候理发的顾客数，初值均为0;
2)信号量customers用来记录等候理发的顾客数，并用作阻塞理发师进程，初值为0;
3)信号量barbers用来记录正在等候顾客的理发师数，并用作阻塞顾客进程，初值为0;
4)信号量mutex用于互斥，初值为1.
var waiting : integer; /*等候理发的顾客数*/
CHAIRS:integer; /*为顾客准备的椅子数*/
customers, barbers，mutex : semaphore;
customers := 0; barbers := 0; waiting := 0; mutex := 1;
Procedure barber;
begin
while(TRUE); /*理完一人,还有顾客吗?*/
P(cutomers); /*若无顾客,理发师睡眠*/
P(mutex); /*进程互斥*/
waiting := waiting – 1; /*等候顾客数少一个*/
V(barbers); /*理发师去为一个顾客理发*/
V(mutex); /*开放临界区*/
cut-hair( ); /*正在理发*/
end;
procedure customer
begin
P(mutex); /*进程互斥*/
if waiting waiting := waiting+1; /* 等候顾客数加1*/
V(customers); /*必要的话唤醒理发师*/
V(mutex); /*开放临界区*/
P(barbers); /*无理发师, 顾客坐着养神*/
get-haircut( ); /*一个顾客坐下等理发*/
end
V(mutex); /*人满了,走吧!*/
end;

互斥量从本质上说就是一把锁, 提供对共享资源的保护访问。
1. 初始化:
在Linux下, 线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t. 在使用前, 要对它进行初始化:
对于静态分配的互斥量, 可以把它设置为PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER, 或者调用pthread_mutex_init.
对于动态分配的互斥量, 在申请内存(malloc)之后, 通过pthread_mutex_init进行初始化, 并且在释放内存(free)前需要调用pthread_mutex_destroy.
原型:
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restric attr);
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
头文件:
返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.
说明: 如果使用默认的属性初始化互斥量, 只需把attr设为NULL. 其他值在以后讲解。
2. 互斥操作:
对共享资源的访问, 要对互斥量进行加锁, 如果互斥量已经上了锁, 调用线程会阻塞, 直到互斥量被解锁. 在完成了对共享资源的访问后, 要对互斥量进行解锁。
首先说一下加锁函数:
头文件:
原型:
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.
说明: 具体说一下trylock函数, 这个函数是非阻塞调用模式, 也就是说, 如果互斥量没被锁住, trylock函数将把互斥量加锁, 并获得对共享资源的访问权限;
如果互斥量被锁住了, trylock函数将不会阻塞等待而直接返回EBUSY, 表示共享资源处于忙状态。

再说一下解所函数:
头文件:
原型: int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
返回值: 成功则返回0, 出错则返回错误编号.

3. 死锁:
死锁主要发生在有多个依赖锁存在时, 会在一个线程试图以与另一个线程相反顺序锁住互斥量时发生. 如何避免死锁是使用互斥量应该格外注意的东西。
总体来讲, 有几个不成文的基本原则:
对共享资源操作前一定要获得锁。
完成操作以后一定要释放锁。
尽量短时间地占用锁。
如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。
线程错误返回时应该释放它所获得的锁。


小型的嵌入式应用中经常会出现许多内存问题，很多情况下难以定位问题出现在哪里。
我在 sourceforge 上找了些检测 C 内存泄漏的工具，感觉比较易用的是 memleak，下面就来简要介绍一下它的使用。
下载得到的 memleak 压缩包大小不到 15 kB，解压后只有两个文件：memleak.c 和 memleak.h。在使用过程中只需要包含头文件 memleak.h 就可以使用 memleak 提供的几个易用而有效的内存检测函数了。
memleak 的原理是利用 C 语言的宏调用来替代原有的函数调用，比如我们在代码中调用 malloc(s)，实际是调用了：dbg_malloc(s)，这个宏定义在 memleak.h 中给出：
#define malloc(s) (FILE_LINE, dbg_malloc(s))
memleak 维护了一个链表，在这个链表中保存着程序中对内存函数调用的记录，这些函数包括：malloc、calloc、realloc、free。每次调用这些函数时，就会更新这个链表。
有了这个表，我们就可以在适当的位置调用 memleak 提供的函数，显示一些重要的信息，包括 malloc、calloc、realloc、free调用的次数，
申请及分配的内存数，调用的文件和位置等等，信息非常详细。有了这些功能，我们就很容易定位内存使用的错误源。

由于 memleak 在某些交叉编译器下不能正常编译通过，这里我将 memleak.c 中的结构体 struct head 修改如下：
struct head
{
struct head *addr;
size_t size;
char *file;
unsigned line;
/* two addresses took the same space as an address and an integer on many archs => usable */
union lf {
struct { struct head*prev, *next; } list;
struct { char *file; unsigned line; } free;
} u;
};

memleak.c 文件中其它调用到 head 中共用体 u 的地方也要做相应的修改。
修改后的文件可以点击这里下载。

memleak 提供了以下几个函数接口：
extern void dbg_init(int history_length);
extern int dbg_check_addr(char *msg, void *ptr, int opt);
extern void dbg_mem_stat(void);
extern void dbg_zero_stat(void);
extern void dbg_abort(char *msg);
extern void dbg_heap_dump(char *keyword);
extern void dbg_history_dump(char *keyword);
extern void dbg_catch_sigsegv(void);

详细的介绍请查看 memleak.c 头部的注释或查看源代码理解。
下面举个简单的例子：
#include
#include
#include "memleak.h"
int main(void)
{
char * s, * t;
dbg_init(10);
s = (char *)malloc(100);    // 申请 100 bytes
t = (char *)malloc(11);     // 再申请 11 bytes
free(s);                    // 释放 100 bytes
s = (char *)malloc(80);     // 重新申请 80 bytes
dbg_heap_dump("");          // 显示调用栈
dbg_mem_stat();             // 显示调用统计
free(t);                    // 释放 11 bytes
free(s);                    // 释放 80 bytes
dbg_mem_stat();             // 再次显示调用统计
return 0;
}

编辑后保存为 test.c，与 memleak.c 和 memleak.h 放于同一目录下。
然后编写一 Makefile：
CC = gcc
EXEC = test
CSRC = test.c memleak.c
OBJS = $(patsubst %.c,%.o, $(CSRC))
all: $(EXEC)
$(EXEC): $(OBJS)
$(CC) $(OBJS) $(LDFLAGS) $(LDLIBS) -o $@
$(OBJS): %.o : %.c
$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@
clean:
-rm -f $(EXEC) *.elf *.gdb *.o

也保存于同一目录，在该目录下 make 编译，执行 ./test 后输出如下：
***** test.c:14: heap dump start
(alloc: test.c:11 size: 11)
(alloc: test.c:13 size: 80)
***** test.c:14: heap dump end
test.c:15: m: 3, c: 0, r: 0, f: 1, mem: 91
test.c:18: m: 3, c: 0, r: 0, f: 3, mem: 0
怎么样，很简单吧？

memleak 中还有一个函数 dbg_catch_sigsegv(void)，可以绑定系统出现 SIGSEGV 信号时的处理函数，我们可以通过修改 memleak.c 中的 sigsegv_handler，
自定义这个 SIGSEGV 信号处理函数。不知道 uClinux 下的 SIGSEGV 信号是否也存在，有的话调试一些内存问题就更容易了。

最后从网上摘来一段 SIGSEGV 的介绍：
SIGSEGV --- Segment Fault. The possible cases of your encountering this error are:
1.buffer overflow --- usually caused by a pointer reference out of range.
2.stack overflow --- please keep in mind that the default stack size is 8192K.
3.illegal file access --- file operations are forbidden on our judge system.