【Linux】线程互斥
文章目录
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- 1. 背景概念
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- 多个线程对全局变量做-- 操作
- 2. 证明全局变量做修改时，在多线程并发访问会出问题
- 3. 锁的使用
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- pthread_mutex_init
- pthread_metux_destroy
- pthread_mutex_lock 与 pthread_mutex_unlock
- 具体操作实现
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- 设置为全局锁
- 设置为局部锁
- 4. 互斥锁细节问题
- 5. 互斥锁的原理
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- 背景知识
- 具体实现
1. 背景概念
多线程中，存在一个全局变量，是被所有执行流共享的
根据历史经验，线程中大部分资源都会直接或者间接共享
只要存在共享，就可能存在被并发访问的问题
假设有一间教室被学校内的所有社团共享的，所以这个教室属于公共资源，
有可能当一个社团在这个教室举办活动时，别的社团也想占用这个教室
即 一个公共资源被并发访问了
为了保证访问时不能被别人去抢走，所以就把门窗都关上，直到访问完，才让别人进来
即 发生互斥
为了保证对应的共享资源的安全，用某种方式将共享资源保护起来，这部分共享资源称之为临界资源
访问临界资源执行的代码 称之为 临界区
多个线程对全局变量做-- 操作
假设有一个全局变量 g_val=100
有两个 线程A 和 线程B，分别对同一个全局变量g_val进行–操作
第一步g_val变量要修改，要把内存的数据load到寄存器中
第二步在寄存器内部，进行数据的–操作
第三步把在寄存器中修改后的数据写回到内存中
g_val–，在C语言上是一条语句，但实际上至少要有三条语句
线程A执行g_val-- 操作
第1步把数据load到寄存器中，第2步在寄存器中对数据做–操作
线程A正准备做第3步时，时间片到了，线程A不能继续向后运行了
线程A要把自己的上下文保护起来，并且将寄存器中的数据也带走了
线程a认为值已经被改成99了，并且还有第三条语句还没有执行
线程B执行 g_val-- 操作
第1步把数据load到寄存器中，
线程B认为g_val没有被写过，所以g_val依旧从100开始修改
第2步在寄存器中对数据做–操作
第3步把修改后的数据写回内存中，即将内存中g_val从100改成99
假设线程B通过while无线循环，则把g_val修改了90次后，g_val值变为10，
此时再次执行时间片到了，所以无法执行第3步，把线程B的上下文保存起来
此时再次执行线程A，由于上次执行线程A时第3步没有执行，所以线程A继续执行第3步
但是内存中的g_val为上次线程B修改后的值10，又被改为99了
把线程B做的数据修改干掉了
对全局变量做–，没有保护的话，会存在并发访问的问题，进而导致数据不一致
g_val被称为 共享资源， 对共享资源进行一定的保护即 临界资源 用来衡量共享资源的
任何一个线程 都有自己的代码访问临界资源，这部分代码 被称为 临界区
同样存在不访问临界资源的区域 被称为 非临界区
用于 衡量 线程代码的
让多个线程安全的访问临界资源 —— 加锁 即完成互斥访问
把三条指令，看起来就像一条指令 被称为 原子性 (要么就不执行，要执行就都执行)
2. 证明全局变量做修改时，在多线程并发访问会出问题
创建一个全局变量 tickets 作为票数，并创建4个线程，
分别调用自定义函数 thread_run 来对tickets进行–操作 ，直到tickets的值<0才结束
创建一个全局变量 tickets 作为票数，并创建4个线程，
分别调用自定义tickets变为负数 ，是不合理的
在我们设计中，若ticjets<0就会直接break退出，只有当tickets>0时才会打印出对应tickets的值
假设 tickets==1 ,此时有 a b c d 4个线程
当线程a 通过判断 进入 if语句中的 sleep中时 ，被上下文保护了
线程b 也执行判断 进入 if语句，继续向下执行完 tickets-- ，
此时的tickets的值为0，CPU就会再次执行还未执行完的线程a 的剩余步骤，tickets-- 即 0-1 =-1
3. 锁的使用
为了避免全局变量 出现负数的情况，所以引入 加锁 用于保证共享资源的安全
pthread_mutex_init
输入 man pthread_mutex_init
第一个参数 为 互斥锁，对该锁进行初始化，初始化该锁处于工作状态
第二个参数 为属性 一般设置为 nullptr
一般有两种初始化方案
第一种，锁为全局变量 ，直接用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，对锁进行初始化
后面就不用 通过pthread_mutex_destroy 对其进行摧毁
第二种，若锁为局部变量，就必须调用pthread_init 进行初始化，用完后也必须调用 pthread_destroy 进行销毁
pthread_metux_destroy
参数为锁
对锁进行销毁
若锁为局部变量
则需要在创建线程之前初始化，使用完线程后在销毁
pthread_mutex_lock 与 pthread_mutex_unlock
输入 man pthread_mutex_lock 加锁
参数为 锁
对该锁进行加锁
若加锁成功就会进入临界区中访问临界区代码
若加锁失败，就会把当前执行流阻塞
输入 man pthread_mutex_unlock 解锁
对该锁进行解锁
具体操作实现
设置为全局锁
若锁为全局变量，可以选择在主函数中初始化锁 与销毁锁
使用 锁 ,进行加锁操作 ，保证共享资源的安全
执行可执行程序后，，发现tickets的值没有负数存在
设置为局部锁
锁要被所有线程看到
所以要定义一个类 TData 包含线程的名字 互斥锁对应的指针
表示线程创建时，要被传的参数
在主函数内部，通过 TData 类型new一个对象td，将公共的锁传递给所有线程
将对象td传递给自定义函数，作为参数args
在自定义函数上，通过对 对象内部的_pmutex的操作 完成加锁与解锁
通过访问对象内部的_name，来调用对应线程的名字
执行可执行程序符合预期，没有出现负数
4. 互斥锁细节问题
1. 访问同一个临界资源的线程，都要进行加锁操作保护，而且必须加同一把锁
(每一个线程在访问临界资源之前都要先加锁)
2. 每一个线程访问临界区之前，得加锁，加锁本质是给临界区加锁
加锁粒度尽量要细一些
3. 线程访问临界区的时候，需要先加锁 -> 所有线程都必须要先看到同一把锁 -> 锁本身就是公共资源
->锁如何保证自身安全? ->加锁和解锁本身就是原子的
(原子性：要么就不加锁，要加锁就加成功)
锁的申请是安全的，就可以保证锁保护的资源本身也是安全的
4. 临界区可以是一行代码，也可以是一批代码
访问全局资源时，可能会存在多并发访问的问题
切换会有影响吗？
加锁在临界区内，加锁后，对临界区代码进行任意切换会不会影响数据出现安全方面的问题？
不会，我不在期间，其他人没有办法进入临界区，因为无法成功申请到锁，锁被我拿走了
存在一个VIP自习室，一次只能有一个人
这个自习室有一个特点，无人值班，门旁边有一把钥匙，门默认是锁着的
若小明想要到这个自习室进行自习，就需要拿到钥匙，把门打开 ，才可以使用自习室
当小明进来后，为了防止别人打扰，把门进行反锁，同时钥匙在小明口袋中
其他人是没办法进来 这个门被反锁的自习室
突然在自习室内的小明 想去上厕所，但是他还想继续自习
所以去上厕所之前，把门又从外面锁上了，把钥匙再次装入口袋中
上厕所期间，并不担心有人进入自习室，因为被锁住了
申请锁后，相当于把锁拿到自己手上了，同时其他人就无法申请了
当访问临界区时，有可能被挂起被阻塞，但是并不担心别人进入临界区中 此时并没有解锁，没有归还锁，
即便当前线程不在， 其他线程也无法调度
5. 互斥锁的原理
背景知识
1.为了实现互斥锁，大多数体系结构(CPU)提供了 汇编指令 即 swap或exchange指令
指令作用为 把寄存器和内存单元的数据相交换
将CPU中的数据与 内存中的数据进行交换
按照传统做法，一条汇编做不到，所以需要借助 一个临时空间进行保存，然后才能进行交换
体系结构为了支持锁的实现，提供了 swap /exchange 指令
一条汇编，把 CPU的数据与 内存中的数据做交换
只有一条汇编指令，保证了原子性
2.寄存器的硬件只有一套，但是寄存器内部的数据是每一个线程都要有的
寄存器 != 寄存器内容(执行流的上下文)
具体实现
用互斥锁这样的类型定义变量，在内存里开辟空间
默认mutex等于1
以线程为单位，调用这部分加锁的代码
并不是线程自己去调，而是要让CPU去跑，CPU会去执行线程的代码
CPU上有一个寄存器，其被命名为 %al
假设 有线程a (thread a) 和线程b (thread b)，都要执行加锁的任务
执行加锁对应的伪代码的第一个指令， 即先把0放入寄存器中
所以当线程a把数据放入寄存器中，这个数据依旧属于线程a的上下文
第一条指令 本质为 调用线程，向自己的上下文写入0
第二条指令，将cpu的寄存器中的%al 与 内存中的mutex 进行交换
交换的本质是 ：将共享数据交换到 自己的私有的上下文中
所有线程看到的是同一把锁，mutex作为共享数据 ，交换到寄存器的上下文中，寄存器作为线程的私有上下文 即 加锁
数据1 就可以被看作是锁
交换 只有 一条汇编指令 ，要么没交换，要不就交换完了 即加锁的原子性
判断al寄存器中的内容是否大于0，
若大于0，返回0，代表加锁成功
假设线程a 即将执行对于判断时 ，进行线程切换，
此时线程a 要带走自己的上下文 即 al寄存器的值为1 ，同时记录下即将执行判断
切换成线程b，继续执行前两条指令 ，先将 al寄存器数据置为0
再将寄存器中的数据 与 内存中的数据 进行 交换
线程b 继续执行时 要进行判断 ，寄存器数据不大于0，当前线程被挂起
线程b申请锁失败
线程b 带走了自己的上下文 即 寄存器中的数据为0
再次切换成 线程a，带回来线程a的寄存器数据 1，并继续执行 上次还未执行到的判断
线程a的寄存器中的数据大于0，返回0，申请锁成功