Linux 多线程同步机制（上）

前言

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一、线程同步

在多线程环境下，多个线程可以并发地执行，访问共享资源（如内存变量、文件、网络连接  等）。
这可能导致 数据不一致性, 死锁, 竞争条件等 问题。
为了解决这些问题，需要使用同步机制来确保线程间的协作和互斥访问共享资源。

“同步” 的目的 是为了避免数据的混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程需要同步，进程间，信号间等等都需要同步机制。

线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时 其他线程为保证数据的一致性，不能调用该功能。

二、互斥量 mutex

互斥锁（Mutex，全称为 Mutual Exclusion）是一种常用的同步机制，用于保护共享资源免受多个线程同时访问和修改的影响。互斥锁提供了一种互斥访问的机制，同一时间只允许一个线程获取锁并访问被保护的资源。

每个线程在对资源操作前都尝试进行先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。
资源还是共享的，线程也还是竞争的。
但 通过 “锁” 就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也就不会再产生了。

1. 互斥锁的基本操作包括两个关键操作：

• 加锁（Lock）：线程通过申请互斥锁来获取对共享资源的访问权。如果互斥锁当前未被其他线程获取，线程成功获得锁然后进入临界区（Critical Section），可以访问共享资源。如果互斥锁已经被其他线程获取，申请锁的线程将被阻塞，直到锁被释放。

• 解锁（Unlock）：线程在完成对共享资源的访问之后，释放互斥锁，使得其他线程可以申请并获取锁。

2. 互斥锁的主要应用函数 :

pthread_mutex_init: 用于初始化互斥锁变量。
pthread_mutex_destroy: 用于销毁互斥锁对象。
pthread_mutex_lock: 用于加锁，如果互斥锁已被其他线程占用，则当前线程阻塞。
pthread_mutex_trylock: 尝试加锁，如果互斥锁已被其他线程占用，则返回一个失败状态而不阻塞线程。
pthread_mutex_unlock: 用于解锁，释放互斥锁使其他线程可以获取。

3. 初始化线程锁 :
有两种方式可以对互斥锁进行初始化：静态初始化和动态初始化。

• 静态初始化： 是在定义互斥锁变量时直接进行初始化，不需要调用特定的初始化函数。
  pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
  PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 是一个宏，用于静态初始化互斥锁变量。
• 动态初始化：动态初始化是在运行时使用初始化函数对互斥锁进行初始化。
  pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

4. 示例代码：
在下面代码中，main 函数中有一个主线程 打印小写字母，my_thread 为 子线程 打印 大写字母。两个线程通过互斥锁来访问 共享资源。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t lock;							// 创建 互斥锁

void *my_thread(void *arg)
{
	srand(time(NULL));							// 设置随机种子
	
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&lock);
		printf("ABC ");
		sleep(rand() % 3);
		printf("XYZ\n");

		pthread_mutex_unlock(&lock);
		sleep(rand() % 3);							// 休眠随机秒，释放cpu资源
	}
	
	pthread_exit(NULL);
}


int main(void)
{
	pthread_t tid;
	int ret;

	srand(time(NULL));									// 设置随机种子

	ret = pthread_mutex_init(&lock,  NULL);				// 初始化互斥锁
	if(ret != 0)
	{
		printf("pthread_mutex_init err\n");
	}

	ret = pthread_create(&tid, NULL, my_thread, NULL);
	if(ret != 0)
	{
		printf("pthread_create err\n");
	}

	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&lock);
		printf("abc ");
		sleep(rand() % 3);
		printf("xyz\n");

		pthread_mutex_unlock(&lock);
		sleep(rand() % 3);
	}

	pthread_mutex_destroy(&lock);			  	// 销毁 互斥锁

	pthread_join(tid,NULL);				  		// 等待回收线程，获取回收状态

	return 0;
}

注意 ：
锁粒度（Lock Granularity）：锁的粒度应该尽可能小，以避免锁定过长时间，从而降低了并发性能。

三、死锁

死锁产生的原因：死锁是指多个线程或进程因为彼此相互等待对方所持有的资源而无法继续执行的状态。

解决：

1. 使用资源的有序性：通过规定线程获取资源的顺序，避免出现循环等待的情况。例如，可以约定所有线程按照一定的顺序获取资源，从而避免死锁的发生。

如果下面两个线程 获取资源的顺序是相反的，则可能会产生死锁。可以将 线程 B 先获取 m1锁，再获取 m2锁。

以下面代码的方式获取锁，不会存在死锁风险。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

pthread_mutex_t lock1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *my_thread1(void *arg)
{
	pthread_mutex_lock(&lock1);
	printf("my_thread1 : begin\n");

	pthread_mutex_lock(&lock2);
	printf("my_thread1 : end\n");

	pthread_mutex_unlock(&lock2);
	pthread_mutex_unlock(&lock1);
	
	pthread_exit(NULL);
}

void *my_thread2(void *arg)
{
	pthread_mutex_lock(&lock1);
	printf("my_thread2 : begin\n");

	pthread_mutex_lock(&lock2);
	printf("my_thread2 : end\n");

	pthread_mutex_unlock(&lock2);
	pthread_mutex_unlock(&lock1);
	
	pthread_exit(NULL);
}

int main(void)
{
	pthread_t tid1,tid2;
	int ret;

	ret = pthread_create(&tid1, NULL, my_thread1, NULL);
	if(ret != 0)
	{
		printf("pthread1_create err\n");
	}

	ret = pthread_create(&tid2, NULL, my_thread2, NULL);
	if(ret != 0)
	{
		printf("pthread2_create err\n");
	}

	pthread_join(tid1,NULL);
	pthread_join(tid2,NULL);

	return 0;
}

2. 设置超时机制：在请求资源时，设置一个超时时间，在超过该时间后如果仍未获得资源，则放弃等待，释放已经获取的资源，避免长时间的死锁等待。

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总结