【Linux系统 学习笔记】Linux线程互斥 && 线程安全 && 可重入 && 不可重入 && 死锁

Linux 线程互斥

进程线程间互斥相关背景和概念

• 临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
• 临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区

比如下面这段代码中，g_val作为一个全局变量，主线程和新创建出的线程都能访问到它，被多个执行流所共享，所以是临界资源。
新线程中g_val- -和主线程中打印了g_val ，都访问了临界资源的代码，所以就叫做临界区。

//code1
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int g_val = 10000;//临界资源
void* fun(void* args)
{
    while(1)
    {
        g_val--;//临界区
        sleep(1);
    }
    pthread_exit((void*) 0);
}
int main()
{
    pthread_t t1;
    pthread_create(&t1,nullptr,fun,nullptr);
    while(1)
    {
        cout << "g_val = " << g_val << endl;//临界区
        sleep(1);
    }
    pthread_join(t1,nullptr);
    return 0;
}

• 互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用

• 原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成

在多线程的情况下，如果任由各个线程并发对临界资源进行修改的操作，就有可能导致临界资源不能达到我们预期的要求。
比如下面这段代码演示：

//code2
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int g_val = 10;
void* fun(void* args)
{
    string name = static_cast<const char*>(args);
    while(1)
    {
        if(g_val > 0)
        {
            sleep(1);
            g_val--;
            cout << name << ": " << g_val << endl;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    pthread_exit((void*) 0);
}
int main()
{
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,fun,(void*)"thread-1");
    pthread_create(&t2,nullptr,fun,(void*)"thread-2");
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);
    return 0;
}

code2 演示了两个线程对一个全局变量g_val进行 - - 操作，每次打印g_val的值。按照我们的预期，它应该是打印到0程序就结束了。然而并不是。g_val的值出现的负数的情况。

出现负数的原因：

• 在一个线程中，if语句判断条件为真后，代码中有sleep语句，此时其他线程可能会趁机进入该代码段。
• g_val- -操作不是一个原子操作

前面我们讲到，原子性是不会被操作系统的任何调度打断的，也就说原子操作只有两种状态，要么完成了，要么未完成。

为什么g_val不是原子操作？

g_val - - 在C++语言层面上虽然只是一条语句，但是汇编语言才是计算机执行的语言，而对变量进行 - - ，实际需要以下三个步骤

1. load：将共享变量tickets从内存加载到寄存器中。
2. update：更新寄存器里面的值，执行-1操作。
3. store：将新值从寄存器写回共享变量tickets的内存地址

**- -**操作的汇编代码如下：

既然- - 操作实际需要三个步骤才能完成，那么就有可能在thread-1把g_val的值读进CPU寄存器然后进行 - 1操作的时候就被CPU调度切走了，并没有把值写回到内存。假设此时thread-1读取到g_val的值是1，-1操作后，当thread-1被切走时，寄存器中的数据就叫做thread-1的上下文信息，thread-1需要将它保存起来，之后就挂起了，等待下一次调度。

假设此时CPU调度了thread-2，thread-2 判断此时g_val还是 1 ，所以进入if语句代码块里面，当还没开始进行 - - 操作时，如果因为时间片比较短，此时又切换到了thread-1，此时thread-1恢复上下文信息到CPU寄存器，会接着执行上一次还没完成的指令，于是就把0写回到了内存。

此时thread-1如果还未被切走，因为判断都g_val == 0 不满足 if 条件了，所以进入else，thread-1 结束。
重要的地方来了，此时CPU调度切回thread-2,由于thread是上次是已经满了if条件的，但还没开始- - 操作，所以才正式开始- - 操作，从内存中读数据到寄存器，是0，然后-1，最后把-1写回到内存。所以就会出现g_val为-1的情况。

出现负数这种情况只是线程不安全的情况之一，由于- - 操作不是原子的，在三步汇编指令中任意一步都可能被切走，也会出现其他的情况。
比如当thread-1的g_val的值为10时，执行完- - 操作汇编指令第二步把g_val变为9后，就被切走了，并没有写回到内存，thread-2被调度了，thread-2一直将g_val的值减到1，并写回到内存。此时thread-1回来了，接着执行上次的步骤，把9写回到内存，此时g_val又变为9了，thread-2做的工作白费了。如果应用到现实业务中，会出现很严重的问题。

互斥量

• 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。
• 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。
• 多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

要解决以上问题，需要做到三点：

• 代码必须有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
• 如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且此时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。
• 如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量。

互斥量的接口

初始化互斥量
初始化互斥量有两种方法：

• 静态分配

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 

• 动态分配

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); 
 参数： 
  mutex：要初始化的互斥量 
  attr：初始化互斥量的属性，一般设置为NULL即可。
 返回值说明：
  互斥量初始化成功返回0，失败返回错误码

销毁互斥量
销毁互斥量需要注意：

• 使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
• 不要销毁一个已经加锁的互斥量
• 已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

参数说明：
 mutex：需要销毁的互斥量
返回值说明：
 互斥量销毁成功返回0，失败返回错误码。

互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //加锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); //解锁

参数说明：
 mutex：需要加锁的互斥量。

返回值说明：
 互斥量加锁/解锁成功返回0，失败返回错误码。

调用 pthread_ mutex_lock 时，可能会遇到以下情况:

• 互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
• 发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量， 那么pthread_mutex_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

使用示例：

//code3
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int g_val = 10;
pthread_mutex_t mutex;//定义一把全局的锁
void* fun(void* args)
{
    string name = static_cast<const char*>(args);
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
        if(g_val > 0)
        {
            usleep(1000);
            g_val--;
            cout << name << ": " << g_val << endl;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
            break;
        }
    }
    pthread_exit((void*) 0);
}
int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,fun,(void*)"thread-1");
    pthread_create(&t2,nullptr,fun,(void*)"thread-2");
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

执行结果：

注意：

• 在大部分情况下，加锁本身都是有损于性能的事，它让多执行流由并行执行变为了串行执行，这几乎是不可避免的。
• 我们应该在合适的位置进行加锁和解锁，这样能尽可能减少加锁带来的性能开销成本。
• 进行临界资源的保护，是所有执行流都应该遵守的标准，这是程序员在编码时需要注意的。

互斥量实现原理探究

为什么加了锁就能体现出原子性？

引入互斥量后，当一个线程申请锁进入到临界区时，在其他线程看来，要么没有申请锁，要么锁已经释放了。只有这两种状态对其他线程才是有意义的，只关心什么时候自己才能拿到锁。
例如，图中线程1进入临界区后，在线程2，3，4看来，线程1要么没有申请锁，要么锁已经释放了，只关心自己什么时候才能拿到锁，如果检测到其他状态（如该锁已经被线程1拿到了），自己只能处于阻塞状态，等待下一次竞争锁。

此时对于线程2，3，4而言，它们就认为线程1的操作是原子的。

 临界区内的线程可能进行线程切换吗？如果切换了会影响到当前锁吗？

临界区的线程是可能线程切换去执行其他任务的，但是即使该线程被切走，其他线程也无法进入临界区进行资源访问，我们可以看做该线程是拿着锁被切走的，锁没用释放，也就意外着其他线程没用机会申请到锁，也就无法进入临界区进行资源访问了。

上面定义的锁也是一个全局对象，意味着它也是一个临界资源，它需要被保护吗？

锁既然是临界资源，那么它就必须被保护。可是锁的创造初心就是为了保护临界资源，那么谁来保护锁？
锁实际上是自己保护自己的，因为申请锁的过程本身就是原子的，所以锁是线程安全的。

申请锁如何保证原子性？

• 上面我们已经说明了- -操作不是原子操作，那么++也不是原子操作，不是原子操作，可能会导致数据不一致问题。
• 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，该指令的作用就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也有先后，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。

下面我们来看看lock和unlock的伪代码：

我们可以认为mutex的初始值为1，al是计算机中的一个寄存器，当线程申请锁时，需要执行以下步骤：

• 先将al寄存器中的值清0。该动作可以被多个线程同时执行，因为每个线程都有自己的一组寄存器（上下文信息），执行该动作本质上是将自己的al寄存器清0。
• 然后交换al寄存器和mutex中的值。xchgb是体系结构提供的交换指令，该指令可以完成寄存器和内存单元之间数据的交换。
• 最后判断al寄存器中的值是否大于0。若大于0则申请锁成功，此时就可以进入临界区访问对应的临界资源；否则申请锁失败需要被挂起等待，直到锁被释放后再次竞争申请锁。

例如，此时内存中mutex的值为1，线程申请锁时先将al寄存器中的值清0，然后将al寄存器中的值与内存中mutex的值进行交换。


交换完成后检测该线程的al寄存器中的值为1，则该线程申请锁成功，可以进入临界区对临界资源进行访问。

而此后的线程若是再申请锁，与内存中的mutex交换得到的值就是0了，此时该线程申请锁失败，需要被挂起等待，直到锁被释放后再次竞争申请锁。

当线程释放锁时，需要执行以下步骤：

• 将内存中的mutex置回1。使得下一个申请锁的线程在执行交换指令后能够得到1，形象地说就是“将锁的钥匙放回去”。
• 唤醒等待Mutex的线程。唤醒这些因为申请锁失败而被挂起的线程，让它们继续竞争申请锁。

注意：

• 在申请锁时本质上就是哪一个线程先执行了交换指令，那么该线程就申请锁成功，因为此时该线程的al寄存器中的值就是1了。而交换指令就只是一条汇编指令，一个线程要么执行了交换指令，要么没有执行交换指令，所以申请锁的过程是原子的。
• 在线程释放锁时没有将当前线程al寄存器中的值清0，这不会造成影响，因为每次线程在申请锁时都会先将自己al寄存器中的值清0，再执行交换指令。
• CPU内的寄存器不是被所有的线程共享的，每个线程都有自己的一组寄存器，但内存中的数据是各个线程共享的。申请锁实际就是，把内存中的mutex通过交换指令，原子性的交换到自己的al寄存器中。

可重入与线程安全

概念

• 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。
• 重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，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，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。

常见的线程不安全的情况

• 不保护共享变量的函数
• 函数状态随着被调用，状态发生变化的函数
• 返回指向静态变量指针的函数
• 调用线程不安全函数的函数

常见的线程安全的情况

• 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
• 类或者接口对于线程来说都是原子操作
• 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

常见不可重入的情况

• 调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的
• 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
• 可重入函数体内使用了静态的数据结构

常见可重入的情况

• 不使用全局变量或静态变量
• 不使用用malloc或者new开辟出的空间
• 不调用不可重入函数
• 不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供
• 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

• 函数是可重入的，那就是线程安全的
• 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
• 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

• 可重入函数是线程安全函数的一种
• 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。
• 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。

死锁

• 死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因互相申请被其他进程所占用不会释放的资源而处于的一种永久等待状态。

死锁四个必要条件

以下四个必要条件必须同时存在，才会造成死锁。

• 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用
• 请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
• 不剥夺条件:一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺
• 循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系

避免死锁

避免死锁，破坏死锁的四个必要条件之一即可。

• 不加锁
• 主动释放锁
• 控制线程统一释放锁
• 按照顺序申请锁