【Linux系统】线程互斥与同步

目录

一.几个概念

二.线程互斥

1.定义并初始化锁 

2.加锁 

3.解锁 

4.销毁锁

三.互斥锁的本质 

1.xchg的原子性

2.加锁的过程

3.解锁的过程

四.可重入VS线程安全

五.死锁

1.死锁的概念

 2.具体实例

 3.死锁产生的四个必要条件

4.解决或避免死锁

六.线程同步 

七.生产者消费者模型  

1.概念

2.意义

八.条件变量 

1.定义并初始化条件变量

2.等待条件变量

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3.唤醒等待条件变量的一个或多个线程

 九.条件变量的细节问题

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一.几个概念

1. 临界资源：任何一个时刻，只允许一个执行流访问的共享资源
2. 临界区：访问（read/write）临界资源的代码
3. 互斥：保护临界资源的一种访问方式，即任何时刻，保证只有一个执行流进入临界区，访问临界资源
4. 原子性：一个操作的性质，该操作不会被调度机制打断，只有未完成和已完成两种状态

C++语言中的--操作会转换为三条汇编语句：

1. 将内存中的数据mov到CPU的寄存器
2. 对寄存器中的数据dec(减1)
3. 将寄存器中的数据写入到内存

一条汇编语句才是原子的，因此a--这句代码不是原子的！！！

 举例：两个线程并发对int a = 10进行++操作。线程1将10从内存拷贝到寄存器，进行+1操作，正要准备写2回到内存时，线程1被切换了，它会将寄存器内的值保存到CPU中。线程2从内存中读取到的还是10，进行若干次++操作，加到了100，并将100写回了内存。此时线程1再次被调度，从PCB中恢复硬件上下文，接着上一次未做完的工作，将寄存器中的11写回到内存。线程2好不容易把a加到100，现在一把回到解放前。出现以上问题的原因是，++操作不是原子的，数据从内存到寄存器，从寄存器到内存的过程没有一次性完成，被线程调度打断了。

内存中的数据是共享的，寄存器中的上下文是线程私有的，数据不一致就是指，上下文数据和内存中的共享数据不一致。

二.线程互斥

数据不一致问题，是因为多线程并发访问临界区，访问临界资源。所以只需保证，任一时刻，只有一个线程访问临界区，即可实现对临界资源的保护，以上的资源保护方式叫做互斥，互斥可以通过对临界区加互斥锁的技术手段来完成。

每个线程访问临界区，都必须先加锁，只有加锁成功，才能访问临界区，否则会阻塞等待。这是大家(线程或者编写代码的用户)都应该遵守的规则，如果有的线程遵守，有的不遵守，那锁便失去了意义。

1.定义并初始化锁 

定义并初始化全局的锁： 

定义并初始化局部的锁： 

2.加锁 

1. 尽可能给少的代码加锁
2. 一般给临界区加锁
3. 访问临界区的线程都必须加锁，大家都应遵守这套规则
4. 任何时刻，只会有一个线程申请加锁成功
5. 锁也是临界资源，但申请加锁的操作本身就是原子的，所以申请加锁不会出现数据不一致问题，而导致多个线程申请锁成功。
6. 一个线程加锁成功后，访问临界区，也会发生线程切换。但其它申请锁的线程会在pthread_mutex_lock上阻塞等待，无法访问临界区。加锁间接实现了线程访问临界区的原子性。
7. 加锁的一般原则：谁加锁，谁解锁

3.解锁 

4.销毁锁

全局锁无需销毁，局部锁要及时销毁：

三.互斥锁的本质 

1.xchg的原子性

计算机通常会提供xchg汇编指令(硬件支持对应机器码)，其作用是将寄存器内容和内存单元的内容进行交换。如果机器不支持exchange指令，那我们用户想要完成同样的工作，只能先将寄存器内容备份到另一个寄存器，再将内存拷贝到寄存器，最后将备份的内容拷贝到内存，分三步完成。但机器支持xchg指令，就只需要一步，这意味这，它是原子的。

2.加锁的过程

可以简单认为互斥锁就是一个值为变量，值为1表示可以被申请，值为0表示被占用

1.将某个寄存器的内容置0

2.使用xchg交换寄存器和mutex的内容->寄存器内容变为mutex的值，mutex变为0

3.判断寄存器内容是否大于0，如果大于0，则成功返回，否则挂起等待

只有第二步涉及到访问内存中的共享资源，而第二步又是原子的，所以整个加锁过程就是原子的。

内存中的mutex是线程共享的，寄存器中的上下文是线程私有的。xchg的本质是将共享资源mutex的数据交换到上下文中，属于线程自己。互斥锁的“1”就像一个令牌，谁拥有了“1”，谁就拥有了锁，即使线程被切换，它也会将上下文保存到PCB中打包带走。

3.解锁的过程

1.将1mov到内存的mutex中

2.唤醒等待mutex的线程(只不过从是从阻塞状态唤醒，可以被CPU调度，不是直接把锁分配给它)，并成功返回

  

可以看出，解锁也是原子的

四.可重入VS线程安全

1. 一个函数被多个执行流进入，称该函数被重入了。如果因为函数被重入而使程序行为不符合预期(崩溃或者数据不一致)，称为该函数不可重入；否则，则称该函数可重入
2. 多线程并发访问共享资源时，程序的行为符合预期，则称该线程是安全的。
3. 线程安全描述的是线程的特征，可重入描述的是函数的特征。
4. 多线程调用不可重入函数会导致线程不安全，多线程调用可重入函数不会导致线程不安全

五.死锁

1.死锁的概念

一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因为相互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的状态。简而言之，死锁就是线程等待一个永远都得不到的锁

 2.具体实例

实例1：现有某个共享资源，规定线程访问它需要持有锁1和锁2。线程A欲要访问该资源，已经持有锁1，正在申请锁2；线程B也想访问该资源，已经持有锁2，正在申请锁1。线程A和线程B都无法集齐两把锁，也都不放弃手中的锁，导致线程A和线程B都被阻塞挂起，永远不会被调度。

以上是两把锁造成的死锁，实际上一把锁也能造成死锁

实例2：由于用户的粗心，将解锁代码写成加锁，导致线程等待自己手中的锁，但它永远等不到

 3.死锁产生的四个必要条件

1. 互斥条件：使用锁以达到访问共享资源互斥
2. 请求与保持条件：线程在申请锁的同时，对已获得的锁保持不放
3. 不剥夺条件：一个线程手中的锁在使用完之前，不会被其它线程强行释放
4. 循环等待条件：A找B要，B找A要

4.解决或避免死锁

破坏产生死锁的4个条件之一即可：

1. 破坏互斥条件。使用锁是因为要保护共享资源，在条件允许的情况下，让每个线程私有一份资源，这样就不必使用锁来保证互斥了
2. 破坏请求与保持条件。如果一个线程申请锁不成功，就把持有的锁都释放掉
3. 破坏不剥夺条件。线程A想申请线程线程B手中的，管理线程检测到死锁，强行将线程B的锁释放
4. 破坏循环等待条件。如果多线程要申请相同的锁，建议按照同样的次序申请

用户编码建议：

1. 能不用锁就不用锁
2. 如果要线程需要申请多个锁，尽量按照顺序一次性申请到位，不要分批申请

六.线程同步 

同步：在临界资源使用安全的前提下，让多线程执行具有一定的顺序性，以保证合理使用资源，解决线程饥饿问题。线程同步使用条件变量完成。

互斥能保证资源的安全，同步让资源使用更加高效。

七.生产者消费者模型  

1.概念

生产者消费者模型是多线程并发的一种经典设计模式。分为两种角色：

生产者：产生数据的线程，将产生的数据放置到共享的内存空间

消费者：从共享的内存空间取数据进行处理

生产者和消费者之间的关系如下：

生产者和生产者：互斥。同时向一块内存写入，会出现数据不一致问题(覆盖或混乱)

消费者和消费者：互斥。同时从一块内存读数据，会出现数据不一致问题(混乱)

生产者和消费者：互斥和同步。同时写和读，会导致消费者得到的数据残缺不全，所以需要互斥；生产者生产完成后再通知消费者来取，避免消费者做一些浪费资源的行为，所以需要同步。

注意：生产是指将数据放到交易场所，消费是指从交易场所拿走数据

2.意义

我们调用函数的目的，就是让函数作为消费者，处理传递给它的数据。但是如果函数的处理过程没有完成，调用处的代码就无法向下执行。

1. 实现生产过程和消费过程执行解耦。共享的内存空间相当于一块缓存，只要缓存没有打满或者缓存不为空，消费和生产过程就不会相互影响，支持生产消费忙闲不均
2. 提高数据处理的效率。生产者生产数据，前提是要获取数据，消费者取走数据后，还要进行处理。消费者的数据一般从具体场景中得来，例如从网络读取，也就是说，获取数据本身也要花费时间，消费者处理数据也要花时间。多生产和多消费模型在任何一个时刻只允许一个线程进入，高效并不体现在同步和互斥，而是使得获取数据和处理数据更好地并发。

八.条件变量 

1.定义并初始化条件变量

2.等待条件变量

3.唤醒等待条件变量的一个或多个线程

 前者是唤醒所有的线程，或者是唤醒队头的线程

 九.条件变量的细节问题

1. 在加锁和解锁之间要往往是要访问临界资源，但资源不一定是就绪的，所以需要有if语句这样的判断。如果判断条件不满足，什么也不做，线程会再次执行加锁，判断，解锁这样的无效工作。为了避免资源浪费，在条件不满足时，让线程在条件变量上阻塞等待。
2. 让线程进行等待的时候，会自动释放锁
3. 线程被唤醒的时候，是在临界区内唤醒的，当线程被唤醒，线程在pthread_cond_wait返回的时候，要重新申请锁  
4. 当线程被唤醒的时候，重新申请锁本质是也要参与锁的竞争的