多线程的同步与互斥

当多个控制线程共享相同的内存时，要确保对数据访问的正确性，就需要做线程的同步与互斥工作。先看下面这个例子：

为什么要进行线程的同步与互斥

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

size_t count = 0;

void ModifyCount()
{
    ++count;
}

void* ThreadEntry(void *arg)
{
    (void)arg;
    for(size_t i = 0; i < 10000; ++i){
        ModifyCount();
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2;

    pthread_create(&tid1, NULL, ThreadEntry, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, ThreadEntry, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    printf("count: %ld\n", count);

    return 0;
}

我们让两个线程同时对一个全局变量做 ++ 操作，各自增加 10000次，如果程序执行无误，结果应该是 20000，实际上运行结果如下：

我们让该程序执行了多次，发现只有两次的结果正确，而其他的结果都超出了我们的预期，原因在哪呢？
我看看看++ 操作的汇编代码：

对 count 的增加有三步：

• 将 count 移至寄存器中
• 给寄存器中的值加1
• 再将寄存器中的值移回count

显然，对count的增加并不是一个原子操作，如果两个线程同时访问count，就可能会出现下面这种情况：

• 线程1将count的值移至寄存器（count = 0，eax1 = 0）；
• 线程1对寄存器中的值++（count = 0， eax1 = 1）；
• 线程2拿到count的值（count = 0， eax2 = 0）；
• 线程1将寄存器中的值写回count（count = 1，eax1 = 1）；
• 线程2对寄存器中的值++（count = 1， eax2 = 1）；
• 线程2将寄存器中的值写入count（count = 1， eax2 = 1）。

此时，看似两个线程对 count 各加了一次，实际上，count 的值只被加了一次，如何解决这种问题呢？下面介绍几种方法。

mutex互斥量

可以使用 pthread 的护齿接口来保护数据，确保同一时间只有一个线程访问数据。互斥量（mutex）从本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完之后解锁。对互斥量进行加锁之后，任何试图对互斥量加锁的操作都会被阻塞，直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥量时，有一个以上的线程被阻塞，那么该锁上的线程都会变为运行状态，其中第一个变为运行状态的线程就可以申请到互斥量并对其加锁。

互斥量的初始化
方法一，静态分配：

pthread_mutex mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

方法二，动态分配：

#include 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

其中 pthread_mutex_t 是一个表示互斥量的联合体类型，函数的第一个参数是要初始化的互斥量，第二个参数是要设置的互斥量的属性，参数二为空则表示使用默认的属性。

静态初始化的互斥量不需要销毁，而对于动态初始化的互斥量则需要销毁，其接口函数如下：

#include 
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数为要销毁的互斥量，上面的初始化和销毁的函数执行成功返回 0，出错返回错误码。

下面是对互斥量的加锁和解锁函数：

#include 
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

第一个函数 pthread_mutex_lock 对互斥量阻塞式加锁，如果互斥量已经上锁，则调用线程将则阻塞式等待，直到互斥量被解锁。pthread_mutex_unlock 用于解锁，如果不希望阻塞式的加锁，则使用第二个函数 pthread_mutex_trylock ，该函数尝试对互斥量加锁，如果互斥量未被上锁，则将互斥量锁住，否则，该函数返回 EBUSY。

下面是对加了锁的临界资源访问的一个实例：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t lock;//定义互斥量
size_t count = 0;

void ModifyCount()
{
    pthread_mutex_lock(&lock);
    ++count;
    pthread_mutex_unlock(&lock);
}

void MyHandler()
{
    ModifyCount();
}

void* ThreadEntry(void *arg)
{
    (void)arg;
    for(size_t i = 0; i < 10000; ++i){
        ModifyCount();
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);//初始化互斥量
    pthread_t tid1, tid2;

    pthread_create(&tid1, NULL, ThreadEntry, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, ThreadEntry, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    printf("count: %ld\n", count);

    pthread_mutex_destroy(&lock);//销毁互斥量
    return 0;
}

运行结果：

我们在对 count 做 ++ 操作前锁住互斥量，操作完成后解锁互斥量，这样就不会在多个线程修改共享资源时出现错误了。

线程死锁
想想下面这种情况：
线程（也可以是进程）A，B各需要申请 1，2两个互斥量，此时，线程 A 得到了 1 号互斥量（即线程A已对1号互斥量加锁），它在等待互斥量 2，而线程 B 获取到了 2 号互斥量 ，它在等待 1 号互斥量，A，B两个线程既在等待对方占用的互斥量，又在占用着对方所需要的互斥量，由于这种情况造成的两个（或多个）线程都无法前进的情况称为死锁。

产生死锁的必要条件

• 互斥条件：资源是独占的且排他使用，进程互斥使用资源，即任意时刻一个资源只能给一个进程使用，其他进程若申请一个资源，而该资源被另一进程占有时，则申请者等待直到资源被占有者释放；
• 请求保持：进程每次申请它所需要的一部分资源，在申请新的资源的同时，继续占用已分配到的资源；
• 不可剥夺：进程所获得的资源在未使用完毕之前，不被其他进程强行剥夺，而只能由获得该资源的进程资源释放；
• 环路等待：在发生死锁时必然存在一个进程等待队列{P1,P2,…,Pn},其中P1等待P2占有的资源，P2等待P3占有的资源，…，Pn等待P1占有的资源，形成一个进程等待环路，环路中每一个进程所占有的资源同时被另一个申请，也就是前一个进程占有后一个进程所申请地资源。

银行家算法避免死锁
银行家算法是一种最有代表性的避免死锁的算法。在避免死锁方法中允许进程动态地申请资源，但系统在进行资源分配之前，应先计算此次分配资源的安全性，若分配不会导致系统进入不安全状态，则分配，否则等待。

条件变量

条件变量是线程同步可用的另一种同步机制。当某一条件满足时，线程 A 可以通知阻塞在条件变量上的线程 B ， B 所期望的条件已经满足，可以解除在条件变量上的阻塞操作，继续做其他事情。

条件变量 API

#include 
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
        const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
返回值：成功0，失败返回错误码

第一个函数用于初始化一个条件变量，参数一为你要初始化的条件变量，参数二为条件变量的属性，为空表示使用默认属性。第二个函数用于销毁一个条件变量。
最后一行是另一种初始化条件变量的方法，这种方法用于静态分配条件变量。

#include 
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex,
           const struct timespec *restrict abstime);
返回值：成功0，失败返回错误码

第一个函数中参数 cond 为要等待的条件变量，参数 mutex 用于保护条件变量，调用者将锁住的互斥量传给函数。函数把调用线程放到等待线程的列表上，然后对互斥量解锁，这两个操作时原子操作。pthread_cond_wait 返回时再次锁住互斥量。第二个函数与第一个类似，知识多了一个指定等待时间的参数 timeout。

#include 
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

该函数向线程或条件变量发送信号，用于唤醒等待的线程，告诉该线程你等待的条件已经成熟。

下面是一个实例：

#include 
#include 
#include 

pthread_cond_t g_cond;
pthread_mutex_t g_lock;

void* Entry1(void *arg)
{
    (void)arg;
    while(1){
        printf("pass!\n");
        pthread_cond_signal(&g_cond);//当传球以后再通知投球
        usleep(678123);
    }
}

void* Entry2(void *arg)
{
    (void)arg;
    while(1){
        pthread_cond_wait(&g_cond, &g_lock);//等待别人给自己传球，若条件成熟，则下一步投球
        printf("shoot!\n");
        usleep(123456);
    }
}

int main()
{
    pthread_cond_init(&g_cond, NULL);//初始化条件变量
    pthread_mutex_init(&g_lock, NULL);

    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, Entry1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, Entry2, NULL);
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    pthread_cond_destroy(&g_cond);
    pthread_mutex_destroy(&g_lock);
    return 0;

在篮球场上，投球的人需要等到别人将球传给自己，而传球的人要通知投球的人“我将球传给你了，你准备投，他们按照这样约定的顺序，擦能实现有序配合”，下面是运行结果：

POSIX信号量

POSIX信号量也可以用于保护共享资源，以达到对共享资源的互斥访问。与 systemV 信号量不同的是：

POSIX信号量来源于POSIX技术规范的实时扩展方案 (POSIX Realtime Extension)，常用于线程；system v信号量，常用于进程的同步。这两者非常相近，但它们使用的函数调用各不相同。前一种的头文件为semaphore.h，函数调用为sem_init(), sem_wait(), sem_post(),sem_destory()等等。后一种头文件为,函数调用为semctl(),semget(),semop()等函数.

POSIX信号量API：
初始化和销毁信号量：

#include 
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
int sem_destroy(sem_t *sem);

sem 为要初始化的信号量，pshared 为 0 表示线程间共享，非 0 表示进程间共享。
value表示要初始化为几？

等待信号量和发送信号量：

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

如果将信号量看为一个计数器的话，那么对信号量的等待和唤醒则是对计数器的 -1 和 +1 操作。

下面是用 POSIX 信号量重新实现的上面那个“传球-投篮”的例子：

#include 
#include 
#include 
#include 

sem_t sem;

void* Entry1(void *arg)
{
    (void)arg;
    while(1){
        printf("pass!\n");
        sem_post(&sem);
        usleep(678123);
    }
}

void* Entry2(void *arg)
{
    (void)arg;
    while(1){
        sem_wait(&sem);
        printf("shoot!\n");
        usleep(123456);
    }
}

int main()
{
    sem_init(&sem, 0, 1);

    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, Entry1, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, Entry2, NULL);
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

运行结果：

——完！

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【作者：果冻：http://blog.csdn.net/jelly_9】