Linux初阶——线程（Part2）：互斥同步问题

一、互斥锁

1、CPU 运算过程

执行完整个语句后，才会把数据写入内存；如果执行时被中断，那么数据和上下文就会保存到线程的 TCB，但数据并不会被写入内存。

1.1. 当 CPU 执行完整个语句时

CPU 最终执行完整个语句的过程

就用上图举个例子。 CPU 是如何执行 a-- 这个句代码的呢？

• 第一步，CPU 将内存中变量 a 的值（100）拷贝到运算器中。
• 第二步，在运算器中减一。
• 第三步，把新的值（99）拷回变量 a 里。

1.2. 当 CPU 还未执行完这个语句，线程就被换出时

CPU 执行完减 1 操作，线程就被换出了

以上图为例，CPU 刚执行完减 1 操作，线程就被换出。遇到这种没执行完语句的情况，CPU 会把计算数据和该线程执行的上下文（即该线程执行到哪一行代码）拷到该线程的 TCB 里；然后再为下一个线程服务。

2、解决方案——互斥锁（mutex）

2.0. 什么是互斥问题

当多个线程并发执行，并访问同一个变量时，就会很容易发生变量的一致性问题。

如图所示，假如我想让变量 a 从 100 减到 0.

线程 1 在做完 a-- 操作后就被换出了：
 

线程 1 被换出

线程 2 正常执行完整个减 1 操作，并重复了很多次，直到减到 10，被换出，线程 1 进来了：

线程2被换出

线程 1 执行

而此时 a 这个全局变量又从 10 变成 100 了。

所以，这个变量从始至终都只能被一个执行流（线程）访问。

2.1. 互斥锁原理

下面这是线程申请锁和释放锁的汇编代码：

lock: // 申请锁movb $0, %alxchgb %al, mutexif (al 寄存器的内容 > 0) return 0; // 申请锁成功else 挂起等待;goto lock;unlock: // 释放锁movb $1, mutex唤醒等待 Mutex 的线程；return 0;

lock 部分的汇编代码的前 2 行的执行过程

但是，如果当该线程执行完第一句后就被换出了，那么该线程会把 al 寄存器的值和上下文保存到 TCB；然后再被换出；然后第二个线程再进来从上次的上下文开始接着执行。所以，其实申请锁的本质就是看哪个线程拿到 1，拿到 1 的那个线程就申请到锁了。

2.2. 相关函数

2.2.1. pthread_mutex_t 类型

就是互斥锁的类型。

2.2.2. pthread_mutex_lock 函数

这个函数用于申请互斥锁。注意，这里只是把锁加上而已，并不会创建锁。 

2.2.3. pthread_mutex_unlock 函数

这个函数用于释放锁。注意，这里只是把锁解开了，锁还在。

2.2.4. 初始化全局的锁

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2.2.5. 初始化局部变量的锁 

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);参数：
mutex：要初始化的互斥锁
attr：nullptr

 2.2.6. 销毁互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

这个函数是直接让锁消失。

注意：

• 如果创建的锁是用宏创建的，就不能掉这个函数。 
• 一定要在解开锁了之后才能调用这个函数。
• 确保后面没有线程用到这个锁。

2.3. 临界区

处于 pthread_mutex_lock 函数和 pthread_mutex_unlock 函数之间的区域就是临界区。

2.4. 临界资源

多线程执行流共享的资源就叫做临界资源。不过，临界资源都是每次只能让一个一个线程访问的。但是当线程申请锁时，那么锁也是共享资源；所以申请锁和释放锁本来就被汇编语言设计成原子性的（即只用一句汇编实现）。

二、死锁

1、产生死锁的必要条件

• 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用。
• 请求和保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，它同时也持有已有的资源，且不释放。
• 不剥夺条件：如果申请不到资源，只能等待，不能强行抢占。
• 循环条件：执行流之间形成有环的等待资源的关系。

2、如何解决

• 破坏上面的 4 条必要条件的其中一条。
• 资源一次性分配。
• 加锁顺序一致。
• 避免未释放的场景。

三、同步问题

1、什么是同步

同步就是让线程按照一定顺序获取资源，而不是一窝蜂地去抢。举个例子，假如厕所是一个共享资源，一次只能一个人用。当有人进去后，就会有很多人在外面等。如果不同步的话，一旦厕所里的那个人出来，全部人就会一窝蜂地去抢厕所；而如果刚出来的那个人的抢占能力非常强，那么厕所就会一直被抢占能力最强的那个人占用，因为这个人可以出来后再抢。于是就会导致其他人长时间没得上厕所，进而引发其他人的饥饿问题。

因此，解决方法就是让所有人排队，一个个上厕所。从厕所出来的人无论抢占能力强还是弱，都要去队尾排队。这种让人们有序地使用厕所就是同步。而把线程看成人，那就就是线程的同步了。所以，总结来说，在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步。

2、条件变量

2.1. 什么是条件变量

还记得前面厕所排队的例子吗？条件变量就是这个等待队列的头节点，当申请到资源时，线程就会从等待队列出来，然后访问共享资源；而如果线程没申请到资源时，该线程就会进入以条件变量为头节点的等待队列里。

2.2. 相关函数

2.2.0. pthread_cond_t 类型

该类型为条件变量类型。

2.2.1. 初始化全局的条件变量

pthread_cond_t global_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2.2.1. 初始化局部变量的条件变量

参数介绍

• cond：条件变量的地址。
• attr： 条件变量的性质。

这个函数用于初始化条件变量。其实就是初始化等待队列的头节点。

2.2.2. pthread_cond_destroy 函数

参数介绍

• cond：传条件变量的地址。 

注意：

• 如果创建的条件变量是用宏创建的，就不能掉这个函数。 

这个函数用于释放条件变量。其实就是初始化等待队列的头节点。

2.2.3. pthread_cond_wait 函数

参数介绍

cond：传条件变量的地址。

mutex：传互斥锁的地址。 

此函数用于把线程加入等待队列。如果此时没申请到共享资源，该线程就会进入以条件变量为头节点的等待队列里。

2.2.4. pthread_cond_signal 函数

参数介绍

• cond：条件变量地址。 

此函数用于唤醒线程。 即当线程申请到共享资源时，这个函数就能让一个线程的 TCB 退出以条件变量为头节点的等待队列。

2.2.5. pthread_cond_broadcast 函数

参数介绍

• cond：条件变量地址。 

即当线程申请到共享资源时，这个函数就能让所有线程的 TCB 退出以条件变量为头节点的等待队列。 

四、应用：生产者消费者问题（cp 问题）

1、什么是生产者消费者问题

简单来说，前提就是生产者和消费者之间有一个共享资源（共享内存），生产者负责向共享内存放数据，消费者负责从共享内存里拿数据。然后我们通过一定的策略解决它们的互斥与同步问题。

2、3 种关系

2.1. 生产者与生产者

生产者与生产者之间是竞争关系，因此生产者与生产者之间是互斥关系。

2.2. 生产者与消费者

2.2.1. 互斥关系

因为要保证公共资源的安全性，因此要让生产者与消费者处于互斥关系，每次只能有一个线程访问共享资源。

2.2.2. 同步关系

因为共享内存里先有数据，消费者才可以拿数据。而生产者是负责向内存放数据的。因此先有生产者向共享内存放数据，才有消费者从共享内存拿数据，这是一种顺序访问共享内存；因此生产者与消费者也处于同步关系。

2.3. 消费者与消费者

消费者与消费者之间是竞争关系，因此生产者与生产者之间是互斥关系。