多线程（线程同步和互斥+线程安全+条件变量）

线程互斥

线程互斥：
任何时刻，保证只有一个执行流进入临界区访问临界资源，通常对临界资源起到保护作用

相关概念

• 临界资源： 一次仅允许一个进程使用的共享资源
• 临界区： 每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
• 原子性： 不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态（无中间态，即使被打断，也不会受影响），要么完成，要么未完成

互斥量mutex

概念：
多个线程对一个共享变量进行操控时，会引发数据不一致的问题。此时就引入了互斥量（也叫互斥锁）的概念，来保证共享数据操作的完整性。在被加锁的任一时刻，临界区的代码只能被一个线程访问。

为了更好的阐述这个概念，这里用一个抢票代码去演示

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
int ticket=1000;
void* getTicket(void* args)
{long id=(long) args;while(1){if(ticket>0){usleep(1000);--ticket;printf("thread %ld get a ticket,the number is %d\n",id,ticket);}else{break;}}
}
int main()
{//创建五个线程pthread_t t1[5];for(int i=0;i<5;++i){pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);}//主线程在阻塞等待for(int i=0;i<5;++i){pthread_join(t1[i],nullptr);}return 0;
}

运行结果如下：

我们发现票到负数了还会继续执行

原因如下：

• if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程
• usleep 这个过程中，ticket还没有进行--的操作有很多线程会进入if条件
• –-ticket 操作本身就不是一个原子操作ticket有三条汇编指令（如下）：

movl  ticket(%rip), %eax     # 把ticket的值(内存)加载到eax寄存器中                                                                                                     
subl  $1, %eax               # 把eax寄存器中的值减1
movl  %eax, ticket(%rip)     # 把eax寄存器中的值赋给ticket变量

有可能在你执行到第二条汇编的时候，还没来得及拷贝给内存，就别切换走了，就会导致减到负数，因为别的线程在读取的时候内存中的ticket还是1

如何解决上述问题？

• 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。

在临界区内，线程只能串行执行，在临界区外，线程可以并发执行

互斥量的接口

互斥量其实就是一把锁，是一个类型为pthread_mutex_t的变量，使用前需要进行初始化操作，使用完之后需要对锁资源进行释放

初始化互斥量:

全局锁或静态锁：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

局部锁：

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

参数：
restrict mutex：要初始化的锁
restrict attr：不关心，置空
返回值：
成功返回0，失败返回错误码
注意：
互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁再去竞争锁

⭐ 如果在全局区或者定义的静态变量，只需要写成`pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER` 不需要写初始化和销毁

加锁：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：
mutex：要加的锁
返回值：
成功返回0，失败返回错误码

解锁：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数：

mutex：要解的锁

返回值：
成功返回0，失败返回错误码

销毁互斥量：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数：
mutex：要销毁锁
返回值：
成功返回0，失败返回错误码

注意：

• 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
• 加锁的粒度要够小

用以上的方法再需要的地方进行加锁

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
using namespace std;
int ticket=1000;
class ThreadData
{
public:ThreadData(const string& threadname,pthread_mutex_t* mutex):thread_name(threadname),mutex_p(mutex){}string thread_name;pthread_mutex_t* mutex_p;
};
//创建并初始化
//全局的锁这样写可以不用初始化和销毁
// pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER;
void* getTicket(void* args)
{ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);// ThreadData* td=(ThreadData*) args;while(1){//加锁pthread_mutex_lock(td->mutex_p);if(ticket>0){usleep(1000);cout << td->thread_name << " tickets is " << ticket << endl;--ticket;//解锁pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);}else{//解锁pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);break;}//抢完票就完了吗？需要形成订单给用户//这里如果不休息，会一直是第4个线程在跑，原因是锁只规定互斥访问，没有规定必须让谁优先执行//锁就是真是的让多个执行流进行竞争的结果usleep(1000);}
}int main()
{//创建五个线程pthread_t t1[5];pthread_mutex_t lock;pthread_mutex_init(&lock,nullptr);for(int i=0;i<5;++i){char buffer[64];snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s""%d","thread ",i+1);//锁用同一把ThreadData* td=new ThreadData(buffer,&lock);pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,td);}for(int i=0;i<5;++i){pthread_join(t1[i],nullptr);}pthread_mutex_destroy(&lock);return 0;
}

运行结果如下：

这里运行会变慢，因为加锁以后是串行执行！

如何看待锁？

锁本身就是一个共享资源，全局变量是要被保护的，锁用来保护全局资源，锁本身也是全局资源，所以加锁的过程必须是安全的！加锁的过程是**原子的，锁如果申请成功，继续向后执行，**如果暂时没有申请成功，执行流会阻塞

如果锁申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源，其他线程正在做什么？

阻塞等待

如果锁申请成功，进入临界资源，正在访问临界资源，我可以被切换吗？

可以，当持有线程的锁被切走，其他线程依旧无法申请锁成功，也无法向后执行，直到我释放这个锁

互斥量的原理

大多数体系结构都提供了swap或exchange指令，该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令，保证了原子性

下面是lock和unlock的伪代码

lock:movb $0, %a1     # 把0值放进寄存器a1里xchgb %a1, mutex # 交换a1寄存器的内容和锁的值（无线程使用锁时，metux的值为1） if (%a1 > 0)return 0; # 得到锁else挂起等待;goto lock;
unlock:movb $1 mutex  #把1赋给锁	唤醒等待的线程;return 0;

下图展示了如何实现：

解锁的伪代码步骤（只有有锁的线程才可以执行到这段代码）：

1. 把mutex的值改为1
2. 唤醒等待锁的线程

封装锁

Mutex.hpp

#pragma once#include <iostream>
#include <pthread.h>class Mutex
{
public:Mutex(pthread_mutex_t *lock_p = nullptr): lock_p_(lock_p){}void lock(){if(lock_p_) pthread_mutex_lock(lock_p_);}void unlock(){if(lock_p_) pthread_mutex_unlock(lock_p_);}~Mutex(){}
private:pthread_mutex_t *lock_p_;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t *mutex): mutex_(mutex){mutex_.lock(); //在构造函数中进行加锁}~LockGuard(){mutex_.unlock(); //在析构函数中进行解锁}
private:Mutex mutex_;
};

test.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <memory>
#include <cassert>#include "Mutex.hpp"// 共享资源， 火车票
int tickets = 10000;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *getTicket(void *args)
{long long username = (long long)args;while (true){{//出了作用域会销毁LockGuard lockguard(&lock); // RAII风格的加锁！if (tickets > 0){usleep(1254); std::cout << username << " 正在进行抢票: " << tickets << std::endl;tickets--;}else{break;}}usleep(1000); }return nullptr;
}
int main()
{#define NUM 4pthread_t t1[5];for(int i=0;i<5;++i){pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);}//主线程保持运行for(int i=0;i<5;++i){pthread_join(t1[i],nullptr);}return 0;
}

线程安全和可重入

概念

线程安全： 多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。
重入： 同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。

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

常见的线程不安全的情况

• 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

常见可重入的情况

• 不使用全局变量或静态变量
• 不使用用malloc或者new开辟出的空间
• 不调用不可重入函数
• 不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供
• 使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

常见不可重入的情况

• 调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的
• 调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
• 可重入函数体内使用了静态的数据结构

区别与联系

区别：

• 函数是可重入的，那就是线程安全的
• 函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题
• 如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的

联系：

• 可重入函数是线程安全函数的一种
• 线程安全不一定是可重入的（不一定发生线程安全问题），而可重入函数则一定是线程安全的。
• 如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。

死锁

概念

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

死锁产生的四个必要条件：

• 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用
• 请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
• 不剥夺条件:一个执行流已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺
• 循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系

所谓的必要条件是都要满足才能形成死锁，只要有一个不满足就不是死锁

避免死锁

• 破坏死锁的四个条件（上面分别对应的是：1.不使用锁 2.让一个执行流放开资源 3. 让一个个执行流剥夺一个执行流的资源 4. 调整申请资源的顺序）
• 假设顺序要一致
• 避免锁未释放的场景
• 资源一次性分配

避免死锁算法：

• 银行家算法：为了防止银行家资金无法周转而倒闭，对每一笔贷款，必须考察其是否能限期归还。在操作系统中研究资源分配策略时也有类似问题，系统中有限的资源要供多个进程使用，必须保证得到的资源的进程能在有限的时间内归还资源，以供其他进程使用资源。
• 死锁检测法