Linux 多线程同步与互斥

1.同步

同一个进程中的多个线程共享所在进程的内存资源，当多个线程在同一时刻同时访问同一种共享资源时，需要相互协调，以避免出现数据的不一致和覆盖等问题，线程之间的协调和通信的就叫做线程的同步问题, 线程同步的思路: 让多个线程依次访问共享资源，而不是并行

我们可以使用信号量进行同步。如：thread2等待thread1发送信号量，才能执行printf语句。

#include    
#include    
#include    
sem_t sem1, sem2;  
  
void *thread1(void *arg) {  
    for (int i = 0; i < 3; ++i) {
     	sem_post(&sem2);
    } 
}  
  
void *thread2(void *arg) {  
    while(1) {
	sem_wait(&sem2);  
    	printf("world!\n"); 
    }
}  
  
int main() {  
    pthread_t t1, t2;     
    sem_init(&sem1,0,1);  
    sem_init(&sem2,0,0);  
      
    pthread_create(&t1,NULL,thread1,NULL);  
    pthread_create(&t2,NULL,thread2,NULL);  
    pthread_join(t1,NULL);  
    pthread_join(t2,NULL);  
    sem_destroy(&sem1);  
    sem_destroy(&sem2);  
    return 0;         
}  

编译 ：gcc -o sem_tb -pthread sem_tb.cpp

运行：./sem_tb

解释：sem_wait   sem_post

信号量的数据类型为结构sem_t，它本质上是一个长整型的数。函数sem_init（）用来初始化一个信号量。它的原型为：　　

extern int sem_init __P ((sem_t *__sem, int __pshared, unsigned int __value));　　

sem为指向信号量结构的一个指针；pshared不为０时此信号量在进程间共享，否则只能为当前进程的所有线程共享；value给出了信号量的初始值。　　

函数sem_post( sem_t *sem )用来增加信号量的值。当有线程阻塞在这个信号量上时，调用这个函数会使其中的一个线程不在阻塞，选择机制同样是由线程的调度策略决定的。

函数sem_wait( sem_t *sem )被用来阻塞当前线程直到信号量sem的值大于0，解除阻塞后将sem的值减一，表明公共资源经使用后减少。函数sem_trywait ( sem_t *sem )是函数sem_wait（）的非阻塞版本，它直接将信号量sem的值减一。函数sem_destroy(sem_t *sem)用来释放信号量sem。　

信号量用sem_init函数创建的，下面是它的说明：
#include

 int sem_init (sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
 这个函数的作用是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项，并指定一个整数类型的初始值。pshared参数控制着信号量的类型。如果 pshared的值是０，就表示它是当前里程的局部信号量；否则，其它进程就能够共享这个信号量。我们现在只对不让进程共享的信号量感兴趣。　（这个参数受版本影响），　pshared传递一个非零将会使函数调用失败。
　　这两个函数控制着信号量的值，它们的定义如下所示：

#include   
int sem_wait(sem_t * sem);  
int sem_post(sem_t * sem); 

这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

 sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”，它是一个“原子操作”－－－即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的；而同时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个“2”－－因为有两个线程试图改变它。
 sem_wait函数也是一个原子操作，它的作用是从信号量的值减去一个“1”，但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说，如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，介信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait()，这个函数就会地等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值，那么当它被第三个线程增加一个“1”时，等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行，另一个还将处于等待状态。
 信号量这种“只用一个函数就能原子化地测试和设置”的能力下正是它的价值所在。还有另外一个信号量函数sem_trywait，它是sem_wait的非阻塞搭档。
 最后一个信号量函数是sem_destroy。这个函数的作用是在我们用完信号量对它进行清理。下面的定义：
 #include
 int sem_destroy (sem_t *sem);
 这个函数也使用一个信号量指针做参数，归还自己战胜的一切资源。在清理信号量的时候如果还有线程在等待它，用户就会收到一个错误。
 与其它的函数一样，这些函数在成功时都返回“0”。

2.互斥量Mutex:

• 本质上说就是一把锁，提供对资源的独占访问，所以Mutex主要的作用是用于互斥。互斥量使同时只能有一个进程访问数据，可以看做一种的0/1信号量
  
• Mutex对象的值只有0和1。分别代表了Mutex的锁定状态和空闲状态:
  • 锁定状态：当前对象被锁定，用户进程/线程如果试图Lock临界资源，则进入等待；
  • 空闲状态：当前对象为空闲，用户进程/线程可以Lock临界资源，之后Mutex值减1变为0。
• Mutex被创建时可以有初始值，表示Mutex被创建后，是锁定状态还是空闲状态。
• 在同一个线程中，为了防止死锁，系统不允许连续两次对Mutex加锁(系统一般会在第二次调用立刻返回)。也就是说，加锁和解锁这两个对应的操作，需要在同一个线程中完成。

实例中两个线程都要打印printf，但是每次只能有一个运行，另一个需要等待。

#include 
#include 
#include 
pthread_mutex_t Device_mutex ;
int count=0;
void *thread_func1(void *args)
{
 while(1)
 {
     pthread_mutex_lock(&Device_mutex);
     printf("thread1: %d\n", count);
     pthread_mutex_unlock(&Device_mutex);
     count++;
     sleep(1);
 }
}
void *thread_func2(void *args)
{
 while(1)
 {
     pthread_mutex_lock(&Device_mutex);
     printf("thread2: %d\n", count);
     pthread_mutex_unlock(&Device_mutex);
     count++;
     sleep(1);
 }
}
int main() {
    int a;
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_mutex_init(&Device_mutex, NULL);
    pthread_create(&thread1, NULL, thread_func1, &a);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_func2, &a);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&Device_mutex);
    return 0;
}

编译 ：gcc -o mutex_hc -pthread mutex_hc.cpp

运行：./mutex_hc

互斥量模型

#include 
pthread_t  mutex                //定义互斥锁             
pthread_mutex_init()            //初始化锁          
pthread_mutex_lock()/pthread_mutex_trylock()  ...     //加锁                  
pthread_mutex_unlock()          //解锁                        
pthread_mutex_destroy()         //销毁                        

//成功返回0,失败返回error number
#include 
int pthread_mutex_init  (pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);
int pthread_mutex_lock  (pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock   (pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock    (pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_destroy   (pthread_mutex_t *mutex);

死锁deadlock

死锁主要发生在有多个依赖锁存在时，会在一个线程试图与另一个线程沿着相反的顺序锁住互斥量时发生
当进程按照A->的方向使用共享资源，同时 白球线程按照B->A的顺序使用共享资源，不巧的是，进程锁定A资源直到获得了释放了的B资源， 白球进程锁定B资源直到获得了释放了的A资源，最后的结果就是他们都不能获得自己想要的资源，都锁定着对方想要的资源

解决死锁：

• 对共享资源操作前一定要获得锁
• 完成操作后一定要释放锁
• 尽量短的时间占用锁
• 如果有多锁，如获得的顺序是ABC顺序，那么释放顺序也该是ABC
• 线程错误返回时会释放它所获得的锁

互斥VS同步

• 互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。如果操作是原子操作，那么天然的具有互斥
• 同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源