【Linux】多线程02 --- 线程的同步互斥问题及生产消费模型

作者：阿润菜菜
专栏：Linux系统编程

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线程同步互斥问题是指多线程程序中，如何保证共享资源的正确访问和线程间的协作。
因为线程互斥是实现线程同步的基础和前提，我们先讲解线程互斥问题。

一、线程互斥

1. 为什么要有共享资源临界保护？

在多线程中，假设我们有一个黄牛抢票的代码，其中有一份共享资源tickets，如果多个线程都在抢票也就是对这个全局变量tickets做–操作，如果我们没有对共享资源做保护（同一时间只能一个线程对资源进行访问）的话，就会存在并发访问的问题，进而导致数据不一致问题！这种情况下，票数最后会出现负数的情况。

那为什么会出现并发访问导致数据不一致问题呢？–

了解上面的问题需要知道线程调度的特性，实际线程在被调度时他的上下文会被加载到CPU的寄存器中，而线程在被切换的时候，线程又会带着自己的上下文被切换下去，此时要进行线程的上下文保存，以便于下次该线程被切换上来的时候能够进行上下文数据的恢复。
除此之外，像tickets- -这样的操作，对应的汇编指令其实至少有三条，1.读取数据 2.修改数据 3.写回数据，而线程函数我们知道会在每个线程的私有栈都存在一份，在上面的例子中多个线程执行同一份线程函数，所以这个线程函数就绝对会处于被重入的状态，也就绝对会被多个线程执行！今天我们假设只有一个CPU(CPU就是核心，处理器芯片会集成多个核心)在调度当前进程中的线程，那么线程是CPU调度的基本单位，所以也就会出现一个线程可能执行一半的时候被切换下去了，并且该线程的上下文被保存起来，然后CPU又去调度进程中的另一个线程。

当多个线程同时进入到分支判断语句，然后去阻塞等待的情况，假设tickets已经变成了1，然后其余的线程此时都被调度上来了，他们都开始执行tickets- -，- -之后不满足循环条件线程才会退出，那么如果我们创建出了4个线程，就会有3个线程在票数已经为0的情况下继续减减，所以就会出现票数为负数的情况

要解决以上的问题，我们提出的解决方案就是：加锁

在学习锁之间先搞清两个概念：

临界资源是指一次仅允许一个进程或线程使用的共享资源，如文件、变量等。
临界区是指每个进程或线程中访问临界资源的那段代码，需要保证互斥和同步的执行。

临界资源和临界区的区别是：

• 临界资源是一种系统资源，需要不同进程或线程互斥访问，而临界区则是每个进程或线程中访问临界资源的一段代码，是属于对应进程或线程的。
• 临界资源是一种抽象的概念，表示需要保护的共享数据或设备，而临界区是一种具体的实现，表示访问临界资源的具体操作和逻辑。
• 临界资源是一种静态的属性，表示某种资源是否可以被多个进程或线程同时使用，而临界区是一种动态的状态，表示某个进程或线程是否正在使用某种临界资源。
  

2.理解加锁

2.1 认识锁，使用锁

如果我们想让多个执行流串行的访问临界资源，而不是并发或并行的访问临界资源，这样的线程调度方案就是互斥式的访问临界资源！（串行就是指只要一个线程开始执行这个任务，那么他就不能中断，必须得等这个线程执行完这个任务，你才能切换其他线程执行其他的任务）

加锁后线程的操作是原子性的，怎么理解？
当线程在执行一个对资源访问的操作时，要么做了这个操作，要么没有做这个操作，只要两种状态，不会出现做了一半这样的状态，我们称这样的操作是原子性的。（就比如你妈让你写作业，你要么给我把作业写完了再出去玩，要么就一个字也别写给我滚出家门，就这两种状态，不会出现你写了一半，然后你妈让你出去玩的这种情况，这样也是原子性）

我们下面讲解互斥锁

首先锁实际就是一种数据类型，这个锁就像我们平常定义出来的变量或是对象一样，只不过这个锁的类型是系统给我们封装好的一种类型，进行重定义后为pthread_mutex_t。变量或对象在生命的时候也是可以初始化的，变量初始化后，就是变量的定义，而不是声明了。变量和对象也都有自己的销毁方案，内置类型的变量销毁时，操作系统会自动回收其资源，而自定义对象销毁时，操作系统会调用其析构函数进行资源的回收。
锁同样也是如此，锁也有自己的初始化和销毁方案，如果你定义的是一把局部锁，就需要用pthread_mutex_init()和pthread_mutex_destroy()来进行初始化和销毁，如果你定义的是一把全局锁或静态所，则不需要用init初始化和destroy销毁，直接用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER进行初始化即可，他有自己的初始化和销毁方案，我们无须关心静态或全局锁如何销毁。

定义好锁之后，我们就可以对某一段代码进行加锁和解锁，加锁与解锁意味着，这段代码不是一般的代码，只有申请到锁，持有锁的线程才能访问这段代码，加锁和解锁之间的代码可以称为临界区，因为想要访问这段空间必须有锁才可以访问。

那我们该如何对共享资源进行加锁和解锁呢？
手册这样写的：

加锁的使用方法一般包括以下几个步骤：

• 创建并初始化一个加锁原语对象，使用相应的API来分配内存并设置属性，如pthread_mutex_init用于创建并初始化一个互斥锁对象。
• 在访问共享资源或临界区域前，对加锁原语对象进行加锁操作，使用相应的API来获取锁的所有权，如pthread_mutex_lock用于以阻塞方式获取一个互斥锁。
• 在访问共享资源或临界区域后，对加锁原语对象进行解锁操作，使用相应的API来释放锁的所有权，如pthread_mutex_unlock用于释放一个互斥锁。
• 在不需要使用共享资源或临界区域时，销毁加锁原语对象，使用相应的API来释放内存并清理资源，如pthread_mutex_destroy用于销毁一个互斥锁对象。

如果忘记解锁，即一个线程在获取一个锁后，没有正确地释放锁，而导致其他线程无法获取该锁。为了避免这种情况，可以使用以下方法：

• 使用RAII技术，即将加锁和解锁操作封装在一个类中，在构造函数中加锁，在析构函数中解锁，这样可以利用对象的生命周期来自动管理锁的状态。
• 使用异常处理机制，即在加锁和解锁操作之间使用try-catch语句来捕获可能抛出的异常，并在catch块中进行解锁操作，这样可以避免异常导致的忘记解锁。

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未完待续