C++详解多线程中的线程同步与互斥量

线程同步

/*
    使用多线程实现买票的案例。
    有3个窗口,一共是100张票。
*/
#include 
#include 
#include 
// 全局变量,所有的线程都共享这一份资源。
int tickets = 100;
void * sellticket(void * arg) {
    // 卖票
    while(tickets > 0) {
        usleep(6000);	//微秒
        printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
        tickets--;
    }
    return NULL;
}
int main() {
    // 创建3个子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);
    // 回收子线程的资源,默认阻塞状态
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    // 设置线程分离。
    // pthread_detach(tid1);
    // pthread_detach(tid2);
    // pthread_detach(tid3);
    pthread_exit(NULL); // 退出主线程
    return 0;
}

运行结果:

产生的问题:

  • 每一张票都卖了好几次;
  • 卖了第0张票和-1张票,都是不对的;

三个线程抢cpu资源。

C++详解多线程中的线程同步与互斥量_第1张图片

C++详解多线程中的线程同步与互斥量_第2张图片

原因: 休眠的时间,3个进程都进去执行了程序;多个进程对共享资源同时处理,就会产生线程同步问题。

线程的主要优势: 通过全局变量来共享信息。不过,这种便捷的共享是有代价的:必须确保多个线程不会同时修改同一变量,或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。

临界区:指访问某一共享资源的代码片段,并且这段代码的执行应为原子操作,也就是同时访问同一共享资源的其他线程不应终端该片段的执行。

线程同步: 即当有一个线程在对内存进行操作时,其他线程都不可以对这个内存地址进行操作,直到该线程完成操作,其他线程才能对该内存地址进行操作,而其他线程则处于等待状态。

线程同步会降低线程并发的效率,这是必须的。

互斥量

为避免线程更新共享变量时出现问题,可以使用互斥量(mutex)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的原子访问。

互斥量有两种状态:已锁定(locked)和未锁定(unlocked)。

任何时候,至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁,将可能阻塞线程或者报错失败,具体取决于加锁时使用的方法。

一旦线程锁定互斥量,随即成为该互斥量的所有者,只有所有者才能给互斥量解锁。

一般情况下,对每一共享资源(可能由多个相关变量组成)会使用不同的互斥量,每一线程在访问同一资源时将采用如下协议:

  • 针对共享资源锁定互斥量
  • 访问共享资源
  • 对互斥量解锁

加锁是在临界区对共享数据操作;

如果多个线程试图执行这一块代码(一个临界区),事实上只有一个线程能够持有该互斥量(其他线程将遭到阻塞),即同时只有一个线程能够进入这段代码区域,如下图所示:

C++详解多线程中的线程同步与互斥量_第3张图片

/*
    互斥量的类型 pthread_mutex_t
    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
        - 初始化互斥量
        - 参数 :
            - mutex : 需要初始化的互斥量变量
            - attr : 互斥量相关的属性,NULL
        - restrict : C语言的修饰符,被修饰的指针,不能由另外的一个指针进行操作。
            pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
            pthread_mutex_t * mutex1 = mutex;	--不能这样操作,有restrict关键词
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
        - 释放互斥量的资源
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 加锁,阻塞的,如果有一个线程加锁了,那么其他的线程只能阻塞等待
		- 成功返回 0
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 尝试加锁,如果加锁失败,不会阻塞,会直接返回。
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 解锁
*/
#include 
#include 
#include 
// 全局变量,所有的线程都共享这一份资源。
int tickets = 1000;
// 创建一个互斥量	--在全局区创建
pthread_mutex_t mutex;
void * sellticket(void * arg) {
    // 卖票
    while(1) {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(tickets > 0) {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }else {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}
int main() {
    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    // 创建3个子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);
    // 回收子线程的资源,阻塞
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
    pthread_exit(NULL); // 退出主线程
    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

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