Linux系统编程（七）：线程同步

参考引用

• UNIX 环境高级编程 (第3版)
• 黑马程序员-Linux 系统编程

1. 同步概念

• 所谓同步，即同时起步、协调一致。不同的对象，对 “同步” 的理解方式略有不同
  • 设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考
  • 数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致
  • 文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致
• 编程中、通信中所说的同步：“同” 字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行

1.1 线程同步

• 线程同步，是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。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能

• 产生的现象叫做 “与时间有关的错误” (time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步
  • “同步” 的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。因此，所有 “多个控制流，共同操作一个共享资源” 的情况，都需要同步

1.2 数据混乱原因

• 1、资源共享 (独享资源则不会)
• 2、调度随机 (意味着数据访问会出现竞争)
• 3、线程间缺乏必要的同步机制

以上 3 点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据时资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。所以只能从第 3 点着手解决，使多个线程在访问共享资源的时候出现互斥

2. 互斥量 mutex

• Linux 中提供一把互斥锁 mutex (也称之为互斥量)。每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过 “锁” 就将资源的访问变成互斥操作

• 但应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。当 A 线程对某个全局变量加锁访问，B 在访问前尝试加锁，拿不到锁则 B 阻塞。C 线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱
  • 所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把 “建议锁” (又称 “协同锁”)，建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制，并没有强制限定
  • 因此，即使有了 mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱

2.1 主要应用函数

#include 

// 返回值都是: 成功返回 0，失败返回错误号
// pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体
// pthread_mutex_t mutex; 变量 mutex 只有两种取值 1、0

// 初始化一个互斥锁(互斥量) --> 初值可看作 1
// 参 1: 传出参数，调用时应传 &mutex
// restrict 用来限定指针变量。被该关键字限定的指针变量所指向的内存操作，必须由本指针完成
// 参 2: 互斥量属性。是一个传入参数，通常传 NULL，选用默认属性(线程间共享)
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

// 销毁一个互斥锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

// 加锁。可理解为将 mutex-- (或 -1)，操作后 mutex 的值为 0
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

// 解锁。可理解为将 mutex++ (或 +1)，操作后 mutex 的值为 1
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

// 尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

2.2 加锁与解锁

2.2.1 lock 和 unlock

• lock 尝试加锁，如果加锁不成功则线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止
• unlock 主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认: 先阻塞、先唤醒
• 例如：T1 T2 T3 T4 使用一把 mutex 锁。T1 加锁成功，其他线程均阻塞，直至 T1 解锁。T1 解锁后，T2 T3 T4 均被唤醒，并自动再次尝试加锁。可假想 mutex 锁 init 成功初始值为 1，lock 功能是将 mutex–，而 unlock 则将 mutex++

2.2.2 lock 和 trylock

• lock 加锁失败会阻塞，等待锁释放
• trylock 加锁失败直接返回错误号 (如：EBUSY)，不阻塞
• 在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的 “粒度” 应越小越好

2.3 加锁步骤测试

• 创建锁 --> 初始化 --> 加锁 --> 访问共享数据 --> 解锁 --> 销毁锁

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  pthread_mutex_t mutex;   // 定义一把全局互斥锁
  
  void *tfn(void *arg) {
      srand(time(NULL));
  
      while(1) {
          pthread_mutex_lock(&mutex);    // 加锁，为 0
          printf("hello ");
          sleep(rand() % 3);             // 模拟长时间操作共享资源，导致 cpu 易主，产生与时间有关的错误
          printf("world\n");
          pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解锁，为 1
          sleep(rand() % 3); 
      }   
  
      return NULL;
  }
  
  int main(int argc, char *argv[]) {
      pthread_t tid;
      srand(time(NULL));
      int ret = pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥锁，为 1
      if (ret != 0) {
          fprintf(stderr, "mutex init error: %s\n", strerror(ret));
          exit(1);
      }   
  
      pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
      while (1) {
          pthread_mutex_lock(&mutex);      // 加锁
          printf("HELLO ");
          sleep(rand() % 3); 
          printf("WORLD\n");
          pthread_mutex_unlock(&mutex);    // 解锁
          sleep(rand() % 3); 
      }   
  
      pthread_join(tid, NULL);
  
      pthread_mutex_destroy(&mutex);       // 销毁互斥锁
  
      return 0;
  }
  

  $ gcc pthread_shared.c -o pthread_shared -pthread
  $ ./pthread_shared
  HELLO WORLD
  hello world
  HELLO WORLD
  ...
  

3. 死锁

• 是使用锁不恰当导致的现象
  • 线程试图对同一个互斥量 A 加锁两次（对一个锁反复 lock）
  • 线程 1 拥有 A 锁，请求获得 B 锁；线程 2 拥有 B 锁，请求获得 A 锁（两个线程各自持有一把锁，请求另一把）

案例

#include 
#include 
#include 

#if 1
int var = 1, num = 5;
pthread_mutex_t m_var, m_num;

void *tfn(void *arg) {
    int i = (int)arg;

    if (i == 1) {
        pthread_mutex_lock(&m_var);
        var = 22;
        sleep(1);       //给另外一个线程加锁,创造机会.

        pthread_mutex_lock(&m_num);
        num = 66; 

        pthread_mutex_unlock(&m_var);
        pthread_mutex_unlock(&m_num);

        printf("----thread %d finish\n", i);
        pthread_exit(NULL);

    } else if (i == 2) {
        pthread_mutex_lock(&m_num);
        var = 33;
        sleep(1);

        pthread_mutex_lock(&m_var);
        num = 99; 

        pthread_mutex_unlock(&m_var);
        pthread_mutex_unlock(&m_num);

        printf("----thread %d finish\n", i);
        pthread_exit(NULL);
    }

    return NULL;
}

int main(void) {
    pthread_t tid1, tid2;
    int ret1, ret2;

    pthread_mutex_init(&m_var, NULL);
    pthread_mutex_init(&m_num, NULL);

    pthread_create(&tid1, NULL, tfn, (void *)1);
    pthread_create(&tid2, NULL, tfn, (void *)2);

    sleep(3);
    printf("var = %d, num = %d\n", var, num);

    ret1 = pthread_mutex_destroy(&m_var);      //释放琐
    ret2 = pthread_mutex_destroy(&m_num);
    if (ret1 == 0 && ret2 == 0) 
        printf("------------destroy mutex finish\n");

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    printf("------------join thread finish\n");

    return 0;
}
#else 

int a = 100;

int main(void) {
    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    a = 777;
    pthread_mutex_lock(&mutex);

    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    printf("-----------a = %d\n", a);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

#endif

$ gcc deadlock.c -o deadlock -pthread
$ ./deadlock 
var = 33, num = 5
...

4. 读写锁

• 与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享，写锁优先级高

4.1 读写锁状态

• 读写锁只有一把，但其具备两种状态
  • 读模式下加锁状态 (读锁)
  • 写模式下加锁状态 (写锁)

4.2 读写锁特性

• 读写锁是 “写模式加锁” 时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞
• 读写锁是 “读模式加锁” 时， 如果线程以读模式对其加锁会成功，如果线程以写模式加锁会阻塞
• 读写锁是 “读模式加锁” 时，既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程
  • 读写锁会阻塞随后的读模式锁请求
  • 优先满足写模式锁
  • 读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况

4.3 主要应用函数

#include 

// 返回值 成功返回 0，失败直接返回错误号

// 初始化一把读写锁
// 参 2: attr 表读写锁属性，通常使用默认属性，传 NULL 即可
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

// 销毁一把读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

// 以读方式请求读写锁 (简称：请求读锁)
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 非阻塞以读方式请求读写锁 (非阻塞请求读锁)
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

// 以写方式请求读写锁 (简称：请求写锁)
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 非阻塞以写方式请求读写锁 (非阻塞请求写锁)
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

// 解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.4 读写锁示例

• 3 个线程不定时 “写” 全局资源，5 个线程不定时 “读” 同一全局资源

#include 
#include 
#include 

int counter;                          // 全局资源
pthread_rwlock_t rwlock;

void *th_write(void *arg) {
    int t;
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        t = counter;                  // 保存写之前的值
        usleep(1000);

        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep(9000);                 // 给 r 锁提供机会
    }
    return NULL;
}

void *th_read(void *arg) {
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("----------------------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep(2000);      // 给写锁提供机会
    }
    return NULL;
}

int main(void) {
    int i;
    pthread_t tid[8];

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);

    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);   // 释放读写琐

    return 0;
}

$ gcc rwlock.c -o rwlock -pthread
$ ./rwlock 
----------------------------read 0: 140472231028480: 0
----------------------------read 3: 140472205850368: 0
----------------------------read 2: 140472214243072: 0
----------------------------read 4: 140472197457664: 0
----------------------------read 1: 140472222635776: 0
=======write 0: 140472256206592: counter=0 ++counter=1
=======write 1: 140472247813888: counter=0 ++counter=2
=======write 2: 140472239421184: counter=0 ++counter=3
----------------------------read 2: 140472214243072: 3
----------------------------read 3: 140472205850368: 3
...

5. 条件变量

• 条件变量本身不是锁，但它也可以造成线程阻塞
• 通常与互斥锁配合使用，给多线程提供一个会合的场所

5.1 主要应用函数

#include 

// 返回值 成功返回 0，失败直接返回错误号

// 初始化一个条件变量
// 参 2: attr 表条件变量属性，通常为默认值，传 NULL 即可
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

// 销毁一个条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

// 函数作用（1、2 两步为一个原子操作）
    // 1、阻塞等待条件变量 cond (参 1) 满足
    // 2、释放已掌握的互斥锁 (解锁互斥量)，相当于 pthread_mutex_unlock(&mutex);
    // 3、当被唤醒，pthread_cond_wait 函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁 pthread_mutex_lock(&mutex);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

// 限时等待一个条件变量
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

// 唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

// 唤醒全部阻塞在条件变量上的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

5.2 生产者消费者条件变量模型

• 线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法
  • 假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源 (一般称之为汇聚)，生产者向其中添加产品，消费者从中消费掉产品

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

void err_thread(int ret, char *str) {
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "%s:%s\n", str, strerror(ret));
        pthread_exit(NULL);
    }
}

struct msg {
    int num;
    struct msg *next;
};

struct msg *head;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;       // 定义/初始化一个互斥量
pthread_cond_t has_data = PTHREAD_COND_INITIALIZER;      // 定义/初始化一个条件变量

void *produser(void *arg) {
    while (1) {
        struct msg *mp = malloc(sizeof(struct msg));

        mp->num = rand() % 1000 + 1;                        // 模拟生产一个数据`
        printf("--produce %d\n", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&mutex);                         // 加锁 互斥量
        mp->next = head;                                    // 写公共区域
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);                       // 解锁 互斥量

        pthread_cond_signal(&has_data);                     // 唤醒阻塞在条件变量 has_data上的线程.

        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

void *consumer(void *arg) {
    while (1) {
        struct msg *mp;

        pthread_mutex_lock(&mutex);                         // 加锁 互斥量
        while (head == NULL) {
            pthread_cond_wait(&has_data, &mutex);           // 阻塞等待条件变量, 解锁
        }                                                   // pthread_cond_wait 返回时, 重新加锁 mutex

        mp = head;
        head = mp->next;

        pthread_mutex_unlock(&mutex);                       // 解锁 互斥量
        printf("---------consumer id: %lu :%d\n", pthread_self(), mp->num);

        free(mp);
        sleep(rand()%3);
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    int ret;
    pthread_t pid, cid;

    srand(time(NULL));

    ret = pthread_create(&pid, NULL, produser, NULL);           // 生产者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create produser error");

    ret = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);           // 消费者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create consuer error");

    ret = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);           // 消费者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create consuer error");

    ret = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);           // 消费者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create consuer error");

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    return 0;
}

$ gcc cond.c -o cond -pthread
$ ./cond 
--produce 208
---------consumer id: 140611653785344 :208
--produce 829
---------consumer id: 140611645392640 :829
--produce 191
--produce 625
---------consumer id: 140611662178048 :625
---------consumer id: 140611653785344 :191
--produce 926
---------consumer id: 140611645392640 :926
...

5.3 条件变量的优点

• 相较于 mutex 而言，条件变量可以减少竞争
  • 若直接使用 mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚 (链表) 中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的
  • 有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争，提高了程序效率

6. 信号量

• 信号量相当于初始化值为 N 的互斥量

  • 由于互斥锁的粒度比较大，如果希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行，与直接使用单进程无异

• 信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发

6.1 主要应用函数

#include 

// 返回值 成功返回 0，失败返回-1，同时设置 errno
// 规定信号量 sem 不能 < 0

// 初始化一个信号量
    // 参 1: sem 信号量
    // 参 2: pshared 取 0 用于线程间; 取非 (一般为 1) 用于进程间
    // 参 3: value 指定信号量初值
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

// 销毁一个信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

// 给信号量加锁 --
int sem_wait(sem_t *sem);
// 尝试对信号量加锁 -- (与 sem_wait 的区别类比 lock 和 trylock)
int sem_trywait(sem_t *sem);
// 限时尝试对信号量加锁 --
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

// 给信号量解锁 ++
int sem_post(sem_t *sem);

• 信号量基本操作

6.2 生产者消费者信号量模型

/*信号量实现 生产者 消费者问题*/
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define NUM 5               

int queue[NUM];                                     // 全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number;                 // 空格子信号量, 产品信号量

void *producer(void *arg) {
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&blank_number);                    // 生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;               // 生产一个产品
        printf("----Produce---%d\n", queue[i]);        
        sem_post(&product_number);                  // 将产品数++

        i = (i+1) % NUM;                            // 借助下标实现环形
        sleep(rand()%1);
    }
}

void *consumer(void *arg) {
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&product_number);                  // 消费者将产品数--,为0则阻塞等待
        printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
        queue[i] = 0;                               // 消费一个产品 
        sem_post(&blank_number);                    // 消费掉以后,将空格子数++

        i = (i+1) % NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, 0, NUM);                // 初始化空格子信号量为5, 线程间共享 -- 0
    sem_init(&product_number, 0, 0);                // 产品数为 0

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);

    return 0;
}

$ gcc sem.c -o sem -pthread
$ ./sem
----Produce---384
-Consume---384
----Produce---916
-Consume---916
...