线程互斥

为什么会有线程互斥

线程与线程之间，都有共用的资源，如果一个线程修改公共资源，那么另一个线程在读取时，就会发生读取错误。或者说，在一个线程在读数据时，另一个同时在写，这时候就会发生数据错误。而为了保护临界区资源时，就引出线程互斥的概念。

为了保证数据变化是原子性的，我们在进行多线程访问临界区资源时，每次只有一个线程可以进入临界资源进行数据操作，其他线程在外等候。这样，就形成了线程之间的互斥关系。

互斥量mutex

1. 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
2. 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。
3. 多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

抢票问题

用多线程抢票可以让我们很好的理解互斥关系。

#include 
#include
#include
#include
     
     pthread_mutex_t lock;
     int ticket =10000;
     
     int get_ticket(void *arg)
    {
     
      usleep(1000);
     
   int num=(int)arg;
       while(1){
     
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if(ticket>0){
     
          usleep(1000);
          printf("thread %d,get a ticket,no: %d\n",num,ticket);
          ticket--;
          pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
        else{
      
          pthread_mutex_unlock(&lock);
          break;
        }
      }
    }
   int main()
    {
     
      int i=0;
      pthread_t tid[4];
     pthread_mutex_init(&lock,NULL);
      for(;i<4;i++){
     
     pthread_create(tid+i,NULL,get_ticket,(void*)i);
      }
   
      for(i=0;i<4;i++){
     
        pthread_join(tid[i],NULL);
      }
      pthread_mutex_destroy(&lock);
      return 0;
    } 

在进行实际抢票的过程中，有些线程可能无法争取到结果，而且- -ticket的操作本身不是一个原子操作。要解决这些问题，我们需要做到下列几点：

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执行，那么该线程不能阻止其他线程进入。

要做到这三点，本质就是需要一把锁。linux上提供的这把锁就叫互斥量。

互斥量实现原理

为了实现互斥锁操作，大多数体系结构都提供了swap或exchange指令，该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换，由于只有一条指令，保证了原子性，即使是多处理器平台，访问内存的总线周期有先后，一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。

总结

一次保证只有一个线程进入临界区，访问临界资源，就叫做互斥！

可重入和线程安全

概念

1. 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。
2. 重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程没有执行完，就有其他执行流再次进入，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，则该函数称之为可重入函数，否则就是不可重入函数。

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

常见的线程安全情况

1. 每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安全的。
2. 类或者接口对于线程来说都是原子操作。
3. 多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性。

常见的不可重入的情况

1. 调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的
2. 调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
3. 可重入函数体内使用了静态的数据结构

常见的可重入的情况

1. 不使用全局变量或静态变量
2. 不使用用malloc或者new开辟出的空间
3. 不调用不可重入函数
4. 不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供
5. 使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

可重入与线程安全联系

1. 函数是可重入的，那就是线程安全的。
2. 函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题
3. 如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的。

可重入与线程安全区别

1. 可重入函数是线程安全函数的一种。
2. 线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。
3. 如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。