Linux___线程互斥与同步

1. 线程互斥

• 互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用。

1.1 临界资源、临界区、原子性

• 临界资源：被多个执行流同时访问的共享资源就叫做临界资源。
• 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区。
• 原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么别做，要么做完。

1.2互斥量mutex

• 大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
• 但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
• 多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

下面写个多个线程操作共享变量来抢票的售票系统代码：


1.为什么可能无法获得争取结果？

1. if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程。
2. usleep 这个模拟漫长业务的过程中，可能有很多个线程会进入该代码段。
3. ticket-- 操作本身就不是一个原子操作。

要解决以上问题，需要做到三点：

1. 代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
2. 如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
3. 如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量(mutex)。

1.3互斥量的接口

初始化互斥量：

销毁互斥量：

销毁互斥量需要注意：

• 不要销毁一个已经加锁的互斥量。
• 已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁。

互斥量加锁和解锁：

注意：在特定线程/进程拥有锁的期间，有新的线程来申请锁，pthread_ mutex_lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。unlock之后对线程进程唤醒操作。此外，加锁的粒度越小越好。

• 锁的申请是将lock由1变为0；
• 锁的销毁时将lock由0变为1。

改进上面的抢票系统：

1.4互斥量(锁)实现原理

每个线程的寄存器是私有的，在修改数据的时候用的不是拷贝而是xchgb交换，将寄存器的值和内存的值互换。这保证了锁的原子性。因为其他线程申请的话，内存的值为0，申请不到锁。lock：0表示被占， 1表示可以被申请。

1. 整个过程为1的mutex只有一份。
2. exchange一条汇编完成了寄存器和内存数据的交换。

2. 可重入函数&&线程安全

• 线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。
• 重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。

2.1 常见的线程不安全的情况

1. 不保护共享变量的函数
2. 函数状态随着被调用，状态发生变化的函数
3. 返回指向静态变量指针的函数
4. 调用线程不安全函数的函数

3. 死锁

死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因为互相申请被其他进程所占用而不会释放的资源，而处于的一种永久等待状态。

3.1 死锁四个必要条件

1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用。
2. 请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
3. 不剥夺条件:一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺。
4. 循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系。

3.2 避免死锁的方法

1. 破坏死锁的四个必要条件
2. 加锁顺序一致
3. 避免锁未释放的
4. 资源一次性分配

4.线程同步

同步概念：在保证数据安全(一般使用加锁方式)的情况下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，就叫做同步。

• 为什么要存在同步？
  • 使多线程同步高效的完成某些事情。

同步实现的事情：当有资源的时候，可以直接获取资源，没有资源的时候，线程进行等待，等待另外的线程生产一个资源，当生产完成的时候，通知等待的线程。

4.1条件变量

• 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。
• 例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中，这种情况就需要用到条件变量。

竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。在线程场景下，这种问题也不难理解。

条件变量的本质：PCB等待队列+两个接口(等待接口+唤醒接口)

4.2条件变量函数

1. 定义条件变量

pthread_cond_t  条件变量类型

2. 初始化条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
参数：
	cond：传入条件变量的地址
	attr：条件变量的属性，一般设置为NULL,采用默认属性		

3. 销毁（释放动态初始化的条件变量所占用的内存）

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

4. 等待条件满足（将调用该等待接口的执行流放入PCB等待队列当中）

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);
参数：
	cond:传入条件变量的地址
	restrict mutex:传入互斥锁变量的地址

5. 唤醒等待（通知PCB等待当中的执行流来访问临界资源）

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
参数：
	cond:传入条件变量的地址
	//唤醒至少一个PCB等待队列当中的线程

4.3 为什么会有互斥锁？

• 同步并没有保证互斥，意味着不同的执行流可以在同一时刻去访问临界资源，所以需要条件变量中的互斥锁来保证互斥，各执行流在访问临界资源的时候，只有一个执行流可以访问。
  

#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t lock;
pthread_cond_t cond;

void *task_t2(void *arg)
{
     
  const char *name = (char*)arg;
  while(1){
     
    pthread_cond_wait(&cond, &lock);
    printf("get cond : %s 活动...\n", name);
  }
}

void *task_t1(void *arg)
{
     
  const char *name = (char*)arg;
  while(1){
     
    sleep(rand()%3+1);
    pthread_cond_signal(&cond);
    printf("%s signal done...\n", name);
  }
}


int main()
{
     
  pthread_mutex_init(&lock, NULL);
  pthread_cond_init(&cond, NULL);

  pthread_t t1,t2,t3,t4,t5;
  pthread_create(&t1, NULL, task_t1, "thread1");
  pthread_create(&t2, NULL, task_t2, "thread2");
  pthread_create(&t3, NULL, task_t2, "thread3");
  pthread_create(&t4, NULL, task_t2, "thread4");
  pthread_create(&t5, NULL, task_t2, "thread5");

  pthread_join(t1, NULL);
  pthread_join(t2, NULL);
  pthread_join(t3, NULL);
  pthread_join(t4, NULL);
  pthread_join(t5, NULL);

  pthread_mutex_destroy(&lock);
  pthread_cond_destroy(&cond);
  return 0;
}