网络编程day6——基于C/S架构封装的线程池

一、线程竞争基本概念

    竞争与同步

        同一个进程中的线程共享进程中的绝大多数资源，当它们随意竞争时可能会导致资源被破坏、脏数据、不完整问题

        通过一些手段让线程在竞争资源时相互协调、避免出现以上问题，这就称为线程同步

    原子操作：

        操作过程中不能被打断的操作称为原子操作

    临界资源、临界区、竞态条件：

        能够被多个进程访问但是又无法同时访问的资源称为临界资源

        每个进程中访问临界资源的那段代码称为临界区，能够被多个线程访问但是又无法同时访问的代码片段

        多个线程在临界区内执行时，由于线程的执行顺序具有随机性，从而导致结果不确定，称为发生了竞态条件

二、互斥量(互斥锁)

    man手册中没有全部的posix手册文档，需要安装

    sudo apt-get install manpages-posix-dev

    pthread_mutex_t 是一种数据类型，用来定义互斥锁变

    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* mutex,const pthread_mutexattr_t * attr);

    功能：对互斥量进行初始化，完成后锁处于开锁状态

    mutex：要初始化的互斥量

    attr：互斥量的属性设置，一般默认给NULL即可

   

    也可以在定义时通过PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化互斥量

    pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

    功能：对互斥量加锁，成功则返回继续执行，失败则阻塞休眠等待，直到互斥量解锁并成功加锁才唤醒返回

    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

    功能：对互斥量解锁，对别人上锁的互斥量解锁，失败返回EBUSY

    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

    功能：对互斥量尝试加锁，成功返回0 失败返回EBUSY，立即返回

    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

    功能：销毁互斥量

三、读写锁

    读写锁将线程访问共享数据时发出的请求分为两种：

        读请求：只读取共享数据，不修改

        写请求：存在修改共享数据的行为

        1、当有多个线程同时发出读请求，可以同时执行

        2、当有多个线程同时发出写请求，只能一个一个的执行

        3、当发出读请求的线程正在执行时，发出写请求的线程必须等待前面所有读请求线程执行完后才能执行

        4、当发出写请求的线程正在执行时，发出读请求的线程必须等待前面所有写请求线程执行完后才能执行

    当读写锁被发出读请求的线程占用时，称为"读锁"，当读写锁被发出读请求的线程占用时，称为"写锁"

        1、当读写锁未被任何线程占用，称为"无锁"，发出读请求、写请求的线程都可以占用，如果同时请求，默认优先给读请求占用

        2、当变成读锁(多个线程占用)时，读请求的线程可以占用不会阻塞，但是写请求的线程会阻塞等待读锁解锁

        3、当变成写锁(单个线程占用)时，读、写请求的线程都会阻塞等待写锁解锁

        pthread_rwlock_init 初始化读写锁

        pthread_rwlock_wrlock 写锁上锁

        pthread_rwlock_rdlock 读锁上锁

        pthread_rwlock_unlock 解锁

        pthread_rwlock_destroy 销毁

   

四、自旋锁

    在任意时刻最多只能有一个线程获取该锁

    对于互斥量，如果资源已经被占用，申请者会进入休眠态

    对于自旋锁，则不会引起申请者休眠，而是一直在申请处进入循环不停地查看自旋锁是否解锁，直到解锁并加锁成功后才退出循环往下执行

    一般情况下使用互斥量，但是如果知道被锁住的代码执行时间很短(或者是主动让其变短)，那么应该选择使用系统开销(运行态<->休眠态)较少的自旋锁更合适，因为运行态进入休眠态时，需要切换内核态 有点耗时

五、信号量

    与进程间通信XSI机制中的信号量原理相似，线程之间使用的"全局"的计数器，用于控制访问有限的共享数据的线程数

    sem_t 是一种数据类型，用于定义信号量变量

    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

    功能：初始化信号量

    sem：要初始化的信号量

    pshared：

        0   只能在本进程中使用

        非0 表示该信号量可以以共享内存的方式被多个进程使用，Linux不支持

    value：信号量的初始值

    int sem_wait(sem_t *sem);

    功能：对信号量减1，如果信号量的值为0，则阻塞等待

    int sem_trywait(sem_t *sem);

    功能：对信号量尝试减1，如果信号量的值为0，则立即返回EAGAIN，成功返回0

    int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

    功能：对信号量减1，如果值为0，则等待一段时间，超时还没能减则返回ETIMEDOUT

    int sem_post(sem_t *sem);

    功能：对信号量的值加1

    int sem_destroy(sem_t *sem);

    功能：销毁信号量

六、死锁

    1、什么是死锁

        多个进程或线程相互等待对方的资源，在得到新资源前不会释放自己的旧资源，这样就形成了循环等待，该现象称为死锁

    2、产生死锁的四大必要条件

        资源互斥：资源只有两种状态，可用和不可用，资源不能被同时使用，同一时刻只能被一个进程或线程使用

        占用且请求：已经得到资源的进程或线程，会继续请求新的资源，并且持续占用旧资源

        资源不可剥夺：当资源已经分配给进程或线程后，不能被其他进程或线程强制性获取，除非占用者主动释放

        环路等待：死锁发生时，系统中必定有两个或以上的进程或线程的执行路线形成等待环路

        注意：一旦产生死锁基本无解，现在的操作系统无法解决死锁，因此只能防止死锁的产生

    3、防止死锁产生的方法

        破坏互斥条件：

            想办法让资源能够共享

            缺点：受到环境或资金的影响无法让资源共享

        破坏占用且请求：

            采用静态预分配的方式，进程或线程在运行前尝试一次性申请所有的资源，在资源没有得到全部满足不投入运行

            缺点：可能会导致系统资源的昂费，因为有些资源是很靠后才会使用，但是已经提前分配占用，导致其它不会产生死锁的进程或线程也无法使用

        破坏资源不可剥夺：

            当一个进程或线程占用了不可被剥夺的资源，并且请求新资源无法得到满足时，那么就把全部占用的资源主动释放，过一段时间后重新开始

            缺点：该策略实现难度高，释放已经占用的资源会导致前一阶段的工作失效，还要反复申请释放资源，浪费资源、时间

        破坏环路等待：

            给每个资源进行编号，进程或线程都按照编号顺序来请求资源，并且必须拿到前一个编号资源后，才能去拿后一个

            缺点：资源的编号顺序要相对稳定，否则在运行期间资源的增加或删减都会让该过程受极大的影响

    4、如何判断死锁

        1、画出资源分配图

        2、简化资源分配图

        3、使用死锁定理判断：看有没有环路

七、条件变量

    当某些设置的条件满足时可以让线程自己进入睡眠态，也可以在另一些设置的条件满足时可以被其它线程唤醒，需要配合互斥量使用

    pthread_cond_t 是一种数据类型，用于定义条件变量

    int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

    功能：初始化条件变量，也可以直接使用PTHREAD_COND_INITIALIZER在定义时初始化

    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

    功能：销毁条件变量

    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

    功能：让当前线程睡入条件变量cond，并主动解锁线程自己的互斥量mutex  //拿到资源先上锁，满足条件就睡眠，并且解锁

    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

    功能：唤醒因为cond睡眠的其中一个线程，线程醒来前要确保能对原来的互斥量重新加锁  //醒来之后 要能够拿到资源并上锁 与睡眠前的状态保持一致

    int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);

    功能：让当前线程睡入cond，最多睡abstime时间，超时也会返回

    使用条件变量和互斥量可以实现 生产者和消费者模型

八、生产者与消费者模型 （C/S模型）

    生产者：生产数据的线程

    消费者：使用数据的线程

    仓库：临时存储数据的缓冲区(仓库解决生产、消费不匹配的问题)

    可能产生的问题：

        生产快于消费：仓库爆满，撑死

        消费快于生产：仓库空虚，饿死

    利用条件变量来解决以上问题：

        当缓冲区满的时候，生产者睡入条件变量(full)，并通知消费者全部醒了(empty)

        当缓冲区空的时候，消费者睡入条件变量(empty)，并通知生产者全部醒来(full)

应用：利用生产者消费者模型构建 线程池

线程池的封装（gitee）