线程的同步与互斥

同步与互斥

1. 同步概念
   程序按一定顺序访问临界资源，如：生产者消费者模型…（先生产再消费）

2. 互斥概念
   任何时刻，都只能有一个执行流访问临界资源，如：消费者与消费者…（不能同时消费同一个物品）

3. 引入：
   在进程中，多个线程之间共享进程资源，线程与线程之间便都具有操作该进程资源（临界资源）的能力和权限，为了保护该进程资源（临界资源），便引入了线程的同步与互斥。

互斥量（mutex）

1. 在进程当中，有很多变量需要各线程共享访问（共享变量），通过共享变量来实现线程间的通信，但是，线程并发的操作该变量会导致出现某些问题；

2. 例如：有100个食物等待被买走，每个线程每次买走一个物品（买食物前，考虑1秒），总共有六个线程，当不对线程做任何格外的操作时，对于食物而言，每次都会有六个线程同时去买（即：六个线程并发执行），即每次食物减少6个，当食物只剩下4个时，对于六个线程而言，都可以购买食物，但是购买完之后，会发现有两个线程购买了食物0和食物-1；这也就导致了该购买过程是有问题的。

3. 测试代码：https://gitee.com/free_xin/codes/j307ltvnbz9rxpi58ohde15

4. 测试结果：
   

5. 该问题的本质就是：在同一时刻中，多个线程同时访问了一个临界资源，最后导致该临界资源出现问题；也就是说，在多线程访问临界资源时，必须使这些线程之间互斥。

6. 互斥量的概念
   为了实现线程间的互斥，使得
   1.当有线程在临界区执行时，不允许其他线程进入临界区
   2.当多个线程同时访问临界区，并且临界区没有其他线程执行时，只能使得一个线程进入临界区，其他线程等待或者退出。
   3.当某个线程不在临界区执行时，这个线程不能阻止其他线程进入该临界区
   其本质就是一把锁，这把锁就叫互斥量。

7. 操作：在要进入临界区之前加锁，在临界区执行结束之后解锁

8. 互斥量的接口函数
   1.初始化
   a).静态分配
   pthread_mutex_t mutex = PTHREA_MUTEX_INITIALIZER;（设置全局或静态变量，用宏对互斥量进行初始化）
   该互斥量不用自己销毁，系统会维护该互斥量
   b).动态分配
   int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restict attr);
   mutex：要初始化的互斥量
   attr：初始化属性，默认为NULL
   2.销毁
   int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
   mutex：要销毁的互斥量
   注:已经加锁的互斥量不能销毁；已经销毁的互斥量不要再对其进行加锁；静态分配的互斥量不需要销毁。
   3.加锁与解锁
   int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //加锁
   int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); //解锁
   成功返回0，失败返回错误号
   注：对与调用未解锁的互斥量的线程，若线程对其进行加锁，那么该线程会阻塞，直到该互斥量被解锁
   注：因为互斥量本身也是临界资源，所以为了保护自身，加锁操作均是原子操作，解锁操作不是原子操作
   加锁之后的测试代码：https://gitee.com/free_xin/codes/j307ltvnbz9rxpi58ohde15
   加锁之后的测试结果：
   

条件变量

1. 在了解条件变量之前，先了解一下生产者消费者模型
   生产者消费者模型
   1.一个交易环境（一个进程）
   2.两个对象（生产者（可多个）（给物品进行+1操作），消费者（可多个）（给物品进行-1操作））
   3.三种关系
   a).生产者与生产者：互斥关系
   生产者之间以互斥的方式访问物品资源，否则会造成物品超过上限的情况
   b).生产者与消费者：同步且互斥关系
   同步：在物品数量为0的情况下，必须要先进行生产操作，再进行消费操作。
   互斥：在消费和生产同时访问到物品资源时，会导致资源被错误修改的情况
   例如：在物品资源为50时，消费和生产同时访问物品资源，同时将50这个数据加载到他们各自的寄存器当中，各自修改之后，若消费者先将数据放回内存，那么生产者返回之后的数据是51，若生产者先将数据放回内存，那么消费者返回之后的数据是49，然而实际的数据应该是50，也就造成了数据的错误修改。
   如图：

c).消费者与消费者：互斥关系
生产者之间以互斥的方式访问物品资源，否则会造成物品低于下限的情况

2. 条件变量概念
   实现线程同步的方式，在条件不满足的时候阻塞等待，在条件满足之后，采用不同的两种方式通知其等待队列当中的线程去获取互斥量，然后进行对临界资源的操作。

3. 条件变量接口函数
   1.初始化
   int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
   cond：要初始化的条件变量
   attr：初始化属性，默认NULL
   2.销毁
   int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
   3.等待（阻塞，条件满足之后执行该接口之后的临界区）
   int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
   cond：要等待的条件变量
   mutex：要获取以及释放的互斥量
   等待实质（如图）：
   4.唤醒等待
   a).惊群唤醒（一次性直接将等待队列上的所有的线程唤醒）
   int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
   b).一个个唤醒
   int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
   注：条件变量的使用必须与互斥量搭配使用
   测试代码（模拟实现生产者消费者模型）：https://gitee.com/free_xin/codes/0t7k9l5vbwnidsx3or4qm96

POSIX信号量

1. 本质上是一个用来描述临界资源的计数器，也是一个临界资源，为了保护自身，其P、V操作都具有原子性
   和进程间通信的（SystemV）信号量相同，都是用于同步操作，这里的信号量用于线程同步。

2. 关于信号量的其他特征，可以参考SystemV信号量：https://blog.csdn.net/Code_ZX/article/details/85008036

3. 实现同步的方式
   在生产者消费者模型中，设置两个信号量，分别为货品数量，空位数量，生产者负责对空位数信号量-1，对货品数信号量+1，消费者负责对货品数信号量-1，对空位数信号量+1；当货品数信号量为0时，阻塞，此时执行生产者，当执行生产者的线程执行完毕或者货品数量达到上限，唤醒消费者…(一直循环)
   图解：

4. 信号量接口函数（包含头文件：）
   1.初始化
   int sem_init(sem_t sem, int pshared, unsigend int value);
   sem：要初始化的信号量
   pshared：0表示该信号量在线程间共享，非0表示该信号量在进程间共享
   value：信号量初值
   2.销毁
   int sem_destroy(sem_t *sem);
   3.等待（对信号量进行-1操作，P操作）
   int sem_wait(sem_t *sem);
   4.发布（对信号量进行+1操作，V操作）
   int sem_post(sem_t *sem);
   测试代码：https://gitee.com/free_xin/codes/zp2sxike01h5locvmbwt636

读写锁

1. 读者写者模型：写者修改共享资源，读者不对共享资源进行修改，读者的数量远大于写者的数量，在读者写者模型当中，一般就采用读写锁。
   概念
   其本质上是一种自旋锁（等待时间短），其中写者独占，读者共享，读者和写者同时访问时，写者优先

2. 接口函数
   1.初始化
   int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
   2.销毁
   int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
   3.加锁
   a).加读者锁
   int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
   b).加写者锁
   int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
   4.解锁
   int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
   注：适用于读者写者模型

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