Linux下线程安全和锁

目录

什么是线程安全

概念

Linux下线程安全的实现

常见线程安全的实现方法

Linux线程互斥

互斥量

锁

通过加锁实现线程安全

线程安全示例代码  

线程不安全的情况

常见的线程安全的情况

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什么是线程安全

概念

线程安全是指在多线程环境下，对共享资源的访问会导致数据不一致或者出现其他异常情况。线程安全通常是通过同步机制来实现的，常见的同步机制包括互斥锁、条件变量、信号量等。

Linux下线程安全的实现

常见线程安全的实现方法

• 代码必须要有互斥行为：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。

Linux线程互斥

背景概念

• 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
• 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（后面讨论如何实现）：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

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。 

锁

互斥量创建和初始化

#include
//创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;
//互斥量静态分配
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);

//互斥量销毁
//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)；


//加锁，如果当前互斥量已经被其他线程锁定，则调用线程会被阻塞，直到互斥量被解锁。一旦成功获取锁，调用线程就可以访问被保护的资源。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

//该函数用于尝试非阻塞地锁定一个互斥量。如果当前互斥量已经被其他线程锁定，则调用线程不会被阻塞，而是立即返回一个失败的值，通常为 EBUSY 错误码（表示资源忙）。
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值
如果创建成功则返回0，失败则返回错误码

//解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

通过加锁实现线程安全

线程安全示例代码  

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int ticket = 100;
pthread_mutex_t mutex;
void *route(void *arg)
{
    char *id = (char *)arg;
    while (1)
    {
        //加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            // sched_yield(); 放弃CPU
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
    }
}
int main(void)
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&t1, NULL, route, "thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, "thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, "thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, "thread 4");
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

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