Linux——线程深度剖析（二），拿下线程安全

互斥与同步

• 互斥是指散布在不同进程之间的若干程序片断，当某个进程运行其中一个程序片段时，其它进程就不能运行它 们之中的任一程序片段，只能等到该进程运行完这个程序片段后才可以运行。

• 同步是散布在不同进程之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的 某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。

临界资源与临界区

• 临界资源：多个线程共享的资源

• 临界区：多个线程访问临界资源的代码段

线程安全

因为进程中的线程共享了进程的虚拟地址空间，因此线程间通信将变得更加简单，但是缺点也随之而来：缺乏数据的访问控制容易造成数据混乱（因为大家都在争抢访问公共资源），导致程序结果出现二义性。

举个例子：

• 在一个进程中有两个线程，线程A，线程B，两个线程同时对一个整形的全局变量a=10进程++操作，预期结果a=12；
• 当线程A拿到CPU之后，对全局a进行++操作，但是该操作是非原子性的，当线程A将10从内存中读取到寄存器中后，时间片到期，此时线程A就被切换出去了，此时a的值在内存中不变。
• 抢占式执行的前提下，假设线程B在这个时候拿到了CPU资源，完成了++操作且未被打断，并将11写回到了内存当中去。
• 这时候，线程A重新拥有资源，根据程序计数器（保存下一条执行的指令），上下文信息（寄存器中的值），恢复现场，此时线程A从寄存器中拿到的值为10，并完成++操作，将11写回内存。

结果与我们的初衷完全不一样，这就是线程完全问题。

如何保证线程安全

• 通过互斥锁，让线程之间互斥

互斥锁

• 在互斥锁内部有一个计数器，名为互斥量。计数器的取值只能为0或为1。
• 当计数器取值为0时，表示当前线程无法获得互斥锁，无法访问临界资源
• 当计数器取值为1时，表示当前线程可以获取互斥锁，可以访问临界资源。

互斥锁中的计数器如何保证原子性？

获取资源的时候：
1.寄存器中的值赋值为0
2.将寄存器中的值与内存的值交换
3.判断寄存器的值，得出结果

在第二步交换的过程中，系统通过xchgb交换操作，该操作是汇编代码，一次性完成，该操作保证了原子性。

1.互斥锁的初始化

 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *_mutex,_const pthread_mutex_mutexattr_t* _mutexattr)

• mutex:传入互斥锁变量的地址，pthread_mutex_init会初始化互斥变量
• attr:属性,一般传递NULL，采用默认属性
• pthread_mutex_init：互斥锁变量的类型

2.加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

• mutex:传入互斥锁变量的地址。
• 如果mutex当中的计数器的值为1，则pthread_mutex_lock接口就返回了，表示说加锁成功，同时计数器当中值会被更改为0，
• 如果mutex当中的计数器的值为0，则pthread_mutex_lock接口就阻塞了，pthread_mutex_lock接口没有返回，阻塞在该函数的内部，直到加锁成功

3.解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex)；

• 不管是哪一个加锁接口加锁成功的，都可以使用该接口进行解锁
• 解锁的时候，会将互斥锁变量当中的计数器的值，从0变成1，表示其他线程可以获取互斥锁

4.互斥锁的销毁

pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t*);

实例的运用：黄牛抢票

创建四个线程，每个线程在抢票时候进行加锁，结束后解锁。

#include 
#include 
#include 

#define THREADCOUNT 4

int g_tickets = 100;
pthread_mutex_t lock_;

void* MyStartThread(void* arg)
{
    (void)arg;
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock_);
        if(g_tickets > 0)
        {
            printf("i am thread %p, i have ticket %d\n", pthread_self(), g_tickets);
            g_tickets--;
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&lock_);
            break;
        }
        pthread_mutex_unlock(&lock_);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&lock_, NULL);
    pthread_t tid[THREADCOUNT];
    for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
    {
        int ret = pthread_create(&tid[i], NULL, MyStartThread, NULL);
        if(ret < 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
    }

    for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
    {
        pthread_join(tid[i], NULL);
    }

    pthread_mutex_destroy(&lock_);
    return 0;
}

注意：

• 在任何开始访问临界资源的地方进行加锁
• 在所有可能线程退出的地方进行解锁，否则可能造成死锁

条件变量（PCB等待队列）

它可以使用在资源不满足的情况下处于休眠状态，让出CPU资源，而资源状态满足时唤醒线程

1.初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond,pthread_condattr_t* attr)

• cond : pthread_cond_t :条件变量的类型，传参的时候还是传入条件变量的地址
• attr:条件变量的属性，通常传递NULL，采用默认属性

2.等待:将调用该接口的线程放到PCB等待队列当中

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex);

• cond:条件变量
• mutex:互斥锁
• pthread_cond_wait会在内部进行解互斥锁，且顺序是：先放入PCB等待队列，再进行解锁
• 接口内部实现的逻辑：1.从PCB等待队列中移除。 2.抢占互斥锁 如果没有抢到互斥锁，那将会阻塞在pthread_cond_wait的内部抢锁逻辑当中

3.唤醒

int pthread_cond_siganl(pthread_cond_t* cond)

• 通知PCB等待队列当中的线程，将其从队列当中出来，唤醒该线程
• 唤醒至少一个PCB等待队列当中的线程

int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t*cond)

• 唤醒PCB等待队列当中全部的线程

4.释放

int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t* cond)

结合条件变量实战一下消费者模型：消费者吃面，生产者做面，当碗里没面时，将消费真放进pcb等待队列，做好后有生产者通知其出队，当碗里有面的时，将生产者放入pcb等待队列，当碗里吃完的时候由消费者通知其做面。

#include 
#include 
#include 

#define THREADCOUNT 2

int g_bowl = 0;
pthread_mutex_t g_mut;
pthread_cond_t g_cond;

void* EatStart(void* arg)
{
    while(1)
    {
        //eat
        pthread_mutex_lock(&g_mut);
        while(g_bowl <= 0)
        {
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mut);
        }
        printf("i am %p, i eat %d\n", pthread_self(), g_bowl);
        g_bowl--;
        pthread_mutex_unlock(&g_mut);
        pthread_cond_signal(&g_cond);
    }
    return NULL;
}

void* MakeStart(void* arg)
{
    while(1)
    {
        //make
        pthread_mutex_lock(&g_mut);
        while(g_bowl > 0)
        {
            pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mut);
        }
        g_bowl++;
        printf("i am %p, i make %d\n", pthread_self(), g_bowl);
        pthread_mutex_unlock(&g_mut);
        pthread_cond_signal(&g_cond);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_mutex_init(&g_mut, NULL);
    pthread_cond_init(&g_cond, NULL);
    pthread_t consume[THREADCOUNT], product[THREADCOUNT];
    for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
    {
        int ret = pthread_create(&consume[i], NULL, EatStart, NULL);
        if(ret < 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }

        ret = pthread_create(&product[i], NULL, MakeStart, NULL);
        if(ret < 0)
        {
            perror("pthread_create");
            return -1;
        }
    }

    for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
    {
        pthread_join(consume[i], NULL);
        pthread_join(product[i], NULL);
    }

    pthread_mutex_destroy(&g_mut);
    pthread_cond_destroy(&g_cond);
    return 0;
}