?

?13.?常見(jiàn)鎖概念

（一）了解死鎖

死鎖是指在一組進(jìn)程中的各個(gè)進(jìn)程均占有不會(huì)釋放的資源，但因互相申請(qǐng)被其他進(jìn)程占有的，且不釋放的資源，而處于的一種永久等待狀態(tài)

（二）死鎖四個(gè)必要條件

• 互斥條件：一個(gè)資源每次只能被一個(gè)執(zhí)行流使用
• 請(qǐng)求與保持條件：一個(gè)執(zhí)行流因請(qǐng)求資源而阻塞時(shí)，對(duì)已獲得的資源保持不放
• 不剝奪條件:一個(gè)執(zhí)行流已獲得的資源，在末使用完之前，不能強(qiáng)行剝奪
• 循環(huán)等待條件:若干執(zhí)行流之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源的關(guān)系

（二）避免死鎖

• 破壞死鎖的四個(gè)必要條件
• 加鎖順序一致 （不是交錯(cuò)申請(qǐng)不同的鎖資源）
• 避免鎖未釋放的場(chǎng)景
• 資源一次性分配

14. linux線程同步

（一）條件變量

當(dāng)一個(gè)線程互斥地訪問(wèn)某個(gè)變量時(shí)，它可能發(fā)現(xiàn)在其它線程改變狀態(tài)之前，它什么也做不了，為了使搶奪鎖資源更公正（防止饑餓問(wèn)題），就需要把所有等待鎖資源的線程放入一個(gè)等待隊(duì)列，直到線程被喚醒

。這種情況就需要用到條件變量

注意：

條件變量必須依賴鎖

（二）同步概念

同步：在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，讓線程能夠按照某種特定的順序訪問(wèn)臨界資源，從而有效避免饑餓問(wèn)題，叫做同步

（三）條件變量相關(guān)函數(shù)

條件變量函數(shù) 初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict

attr);

參數(shù)：

cond：要初始化的條件變量

attr：條件變量的屬性，一般設(shè)置成NULL

銷(xiāo)毀

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

參數(shù)：要銷(xiāo)毀的條件變量函數(shù)

等待條件滿足

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

參數(shù)：

cond：要在這個(gè)條件變量上等待

mutex：互斥量

注意：

參數(shù)中有互斥量，是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)同步與互斥，需要先加鎖，再判斷（判斷也是訪問(wèn)臨界資源，和加鎖保護(hù)線程安全對(duì)應(yīng)）是否進(jìn)入等待隊(duì)列休眠，而這個(gè)函數(shù)里面有互斥量是為了把鎖資源釋放，接下來(lái)訪問(wèn)臨界資源的順序是按照隊(duì)列里面的順序進(jìn)行的（前提是線程被喚醒）

大概代碼思路

pthread_mutex_lock(&mutex); // 加鎖

pthread_cond_wait(&cond); //放入等待隊(duì)列

pthread_mutex_unlock(&mutex); //解鎖

注意：

1. 喚醒可以由其它線程去喚醒，如主線程
2. 三個(gè)函數(shù)的順序不要更換（解鎖和等待都不是原子操作）

喚醒等待

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

喚醒隊(duì)列中的所有線程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

按順序喚醒隊(duì)列中的一個(gè)線程

注意：

1. 喚醒之后的線程需要申請(qǐng)鎖資源
2. 喚醒的時(shí)候，可能出現(xiàn)喚醒錯(cuò)誤的情況。比如在生產(chǎn)者消費(fèi)者模型中（多生產(chǎn)者多消費(fèi)者容易出現(xiàn)這種錯(cuò)誤），喚醒了多個(gè)生成者，并且消費(fèi)者此時(shí)也是屬于喚醒狀態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)者和生產(chǎn)者之間，消費(fèi)者和生產(chǎn)者之間競(jìng)爭(zhēng)同一把鎖，鎖最后的分配，可能導(dǎo)致臨界資源訪問(wèn)條件不滿足（喚醒之后拿到鎖資源的線程，有可能這個(gè)時(shí)候的訪問(wèn)條件不滿足，但依然會(huì)執(zhí)行后面的代碼），出現(xiàn)錯(cuò)誤

正確代碼思路

pthread_mutex_lock(&mutex); // 加鎖

while（... ...） //判斷訪問(wèn)資源的條件是否成立

{

pthread_cond_wait(&cond); //放入等待隊(duì)列

}

pthread_mutex_unlock(&mutex); //解鎖

注意：

判斷用while，是為了保證，線程被喚醒(出了等待隊(duì)列)，并且競(jìng)爭(zhēng)到了鎖資源后,再一次判斷資源條件是否成立，才能決定后面的代碼能否執(zhí)行

15. 生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

（一）使用生產(chǎn)者消費(fèi)者模型的原因

生產(chǎn)者消費(fèi)者模式就是通過(guò)一個(gè)容器來(lái)解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者的強(qiáng)耦合問(wèn)題。生產(chǎn)者和消費(fèi)者彼此之間不直接通訊，而通過(guò)阻塞隊(duì)列來(lái)進(jìn)行通訊

生產(chǎn)者生產(chǎn)完數(shù)據(jù)之后不用等待消費(fèi)者處理，直接扔給阻塞隊(duì)列；消費(fèi)者不找生產(chǎn)者要數(shù)據(jù)，而是直接從阻塞隊(duì)列里取

阻塞隊(duì)列就相當(dāng)于一個(gè)緩沖區(qū)，平衡了生產(chǎn)者和消費(fèi)者的處理能力，這個(gè)阻塞隊(duì)列就是用來(lái)給生產(chǎn)者和消費(fèi)者解耦的

（二）生產(chǎn)者消費(fèi)者模型優(yōu)點(diǎn)

• 解耦
• 支持并發(fā)
• 支持忙閑不均

（三）基于BlockingQueue的生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

BlockingQueue

在多線程編程中阻塞隊(duì)列(Blocking Queue)是一種常用于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其與普通的隊(duì)列區(qū)別在于，當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，從隊(duì)列獲取元素的操作將會(huì)被阻塞，直到隊(duì)列中被放入了元素；當(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，往隊(duì)列里存放元素的操作也會(huì)被阻塞，直到有元素被從隊(duì)列中取出

（四）對(duì)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型的總結(jié)

1. 有三種關(guān)系

• 生成者和生成者之間的關(guān)系：互斥
• 生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的關(guān)系：互斥，同步
• 消費(fèi)者和消費(fèi)者之間的關(guān)系：互斥

2. 有兩者角色

生產(chǎn)者和消費(fèi)者

3. 有一種交易場(chǎng)所

特定結(jié)構(gòu)的內(nèi)存空間

16. POSIX信號(hào)量

POSIX信號(hào)量和 SystemV信號(hào)量作用相同，都是用于同步操作，達(dá)到無(wú)沖突的訪問(wèn)共享資源目的。 但POSIX可以用于線程間同步

17. 基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)模型

（一）了解基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)模型

環(huán)形隊(duì)列采用數(shù)組模擬，用模運(yùn)算來(lái)模擬環(huán)狀特性

判斷隊(duì)列是否為空或者為滿，我們交給信號(hào)量去處理

注意：

1. 信號(hào)量的本質(zhì)是一個(gè)計(jì)數(shù)器，用來(lái)描述臨界資源的數(shù)目（這里不把臨界資源當(dāng)成一個(gè)整體，而是很多份，多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)臨界資源中的不同份）
2. 臨界資源是否就緒的判斷是在臨界區(qū)之外的（和前一個(gè)生產(chǎn)消費(fèi)模型區(qū)分開(kāi)來(lái)），在申請(qǐng)信號(hào)量的時(shí)候，就已經(jīng)間接在做判斷了（這一步是預(yù)定操作，即預(yù)定成功，則整個(gè)臨界資源必有一份資源是屬于預(yù)定成功的線程的）

（二）基于環(huán)形隊(duì)列的生產(chǎn)消費(fèi)模型的原理

?

18. 線程池

（一）了解線程池

線程池:

一種線程使用模式

線程過(guò)多會(huì)帶來(lái)調(diào)度開(kāi)銷(xiāo)，進(jìn)而影響緩存局部性和整體性能。而線程池維護(hù)著多個(gè)線程（提前開(kāi)辟好的），等待著監(jiān)督管理者分配可并發(fā)執(zhí)行的任務(wù)。這避免了在處理短時(shí)間任務(wù)時(shí)創(chuàng)建與銷(xiāo)毀線程的代價(jià)。線程池不僅能夠保證內(nèi)核的充分利用，還能防止過(guò)分調(diào)度

池化計(jì)數(shù)：

線程會(huì)用到池化技術(shù)（以空間換時(shí)間），大致操作（C++為例）：現(xiàn)在C++類(lèi)內(nèi)創(chuàng)建線程（創(chuàng)建的線程當(dāng)作類(lèi)內(nèi)成員變量），再利用原生線程去實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

注意：

1. 在類(lèi)內(nèi)創(chuàng)建時(shí)，若線程執(zhí)行的函數(shù)也是類(lèi)內(nèi)函數(shù)，會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤（因?yàn)閳?zhí)行的函數(shù)傳參只有一個(gè)void*,而類(lèi)內(nèi)函數(shù)會(huì)多一個(gè)this指針），所以該執(zhí)行函數(shù)必須是靜態(tài)的
2. 若執(zhí)行函數(shù)是靜態(tài)的，同樣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，即靜態(tài)成員函數(shù)無(wú)法訪問(wèn)非靜態(tài)成員變量（沒(méi)有this指針),所以執(zhí)行函數(shù)的參數(shù)void*必須是this指針，通過(guò)穿過(guò)來(lái)的this指針，訪問(wèn)非靜態(tài)成員變量

（二）線程池的應(yīng)用場(chǎng)景

1. 需要大量的線程來(lái)完成任務(wù)，且完成任務(wù)的時(shí)間比較短。因?yàn)閱蝹€(gè)任務(wù)小，而任務(wù)數(shù)量巨大， 但對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的任務(wù),線程池的優(yōu)點(diǎn)就不明顯了
2. 對(duì)性能要求苛刻的應(yīng)用，比如要求服務(wù)器迅速響應(yīng)客戶請(qǐng)求
3. 接受突發(fā)性的大量請(qǐng)求，但不至于使服務(wù)器因此產(chǎn)生大量線程的應(yīng)用。突發(fā)性大量客戶請(qǐng)求，在沒(méi)有線程池情況下，將產(chǎn)生大量線程，雖然理論上大部分操作系統(tǒng)線程數(shù)目最大值不是問(wèn)題，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量線程可能使內(nèi)存到達(dá)極限

（三）線程池示例

1. 創(chuàng)建固定數(shù)量線程池，循環(huán)從任務(wù)隊(duì)列中獲取任務(wù)對(duì)象
2. 獲取到任務(wù)對(duì)象后，執(zhí)行任務(wù)對(duì)象中的任務(wù)接口

19. 線程安全的單例模式

（一）什么是單例模式

單例模式是一種 "經(jīng)典的, 常用的, 常考的" 設(shè)計(jì)模式（這個(gè)類(lèi)的對(duì)象，只允許創(chuàng)建一個(gè)）

（二）什么是設(shè)計(jì)模式

針對(duì)一些經(jīng)典的常見(jiàn)的場(chǎng)景, 給定了一些對(duì)應(yīng)的解決方案, 這個(gè)就是 設(shè)計(jì)模式

（三）單例模式的特點(diǎn)

1. 某些類(lèi), 只應(yīng)該具有一個(gè)對(duì)象(實(shí)例), 就稱(chēng)之為單例
2. 在很多服務(wù)器開(kāi)發(fā)場(chǎng)景中, 經(jīng)常需要讓服務(wù)器加載很多的數(shù)據(jù) (上百G) 到內(nèi)存中. 此時(shí)往往要用一個(gè)單例的類(lèi)來(lái)管理這些數(shù)據(jù)

（四）餓漢實(shí)現(xiàn)方式和懶漢實(shí)現(xiàn)方式

舉例類(lèi)比（洗完的例子）

餓漢方式：

吃完飯, 立刻洗碗, 這種就是餓漢方式. 因?yàn)橄乱活D吃的時(shí)候可以立刻拿著碗就能吃飯

懶漢方式：

吃完飯, 先把碗放下, 然后下一頓飯用到這個(gè)碗了再洗碗, 就是懶漢方式

注意:

懶漢方式最核心的思想是 "延時(shí)加載". 從而能夠優(yōu)化服務(wù)器的啟動(dòng)速度(在準(zhǔn)備進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)，需要把一些數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，這一個(gè)過(guò)程的時(shí)間少)

餓漢方式 代碼實(shí)現(xiàn)

template <typename T>
class Singleton 
{
static T data;
public:
static T* GetInstance() 
{
return &data;
}
};

data 是靜態(tài)類(lèi)內(nèi)成員，會(huì)在進(jìn)程啟動(dòng)之前，早就創(chuàng)建好，而不是等到啟動(dòng)進(jìn)程時(shí)，再去創(chuàng)建

?

懶漢模式 代碼實(shí)現(xiàn)

template <typename T>
class Singleton 
{
static T* inst;
public:
static T* GetInstance() 
{
if (inst == nullptr) 
{
inst = new T();
}
return inst;
}
};
template <typename T>
T* Singleton<T>:: inst = nullptr;

inst指針是要等待使用的時(shí)候，所指向的內(nèi)容才會(huì)在堆上開(kāi)辟新空間

（五）懶漢方式實(shí)現(xiàn)單例模式(線程安全版本)

代碼

static phread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
template <typename T>
class Singleton 
{
static T* inst; // 需要設(shè)置 volatile 關(guān)鍵字, 否則可能被編譯器優(yōu)化.
public:
static T* GetInstance() 
{
if (inst == NULL) //這一次的判斷可以提高效率，使得沒(méi)有進(jìn)入第二個(gè)判斷的線程，直接執(zhí)行非臨界資源的代碼
{ 
lock.lock(); // 使用互斥鎖, 防止多個(gè)線程進(jìn)入第二個(gè)判斷，保證多線程情況下也只調(diào)用一次 new
if (inst == NULL) 
{
inst = new T();
}
lock.unlock();
}return inst;
}
};T* Singleton<T>:: inst = nullptr;

注意：（代碼不是完整的）

lock()，unlock()底層都是用原生線程庫(kù)封裝了

20. STL , 智能指針和線程安全

（一）常見(jiàn)問(wèn)題

• STL中的容器是否是線程安全

不安全

原因：

STL 的設(shè)計(jì)初衷是將性能挖掘到極致, 而一旦涉及到加鎖保證線程安全, 會(huì)對(duì)性能造成巨大的影響.

而且對(duì)于不同的容器, 加鎖方式的不同, 性能可能也不同(例如hash表的鎖表和鎖桶).

因此 STL 默認(rèn)不是線程安全. 如果需要在多線程環(huán)境下使用, 往往需要調(diào)用者自行保證線程安全.

• 智能指針是否是線程安全

1. 對(duì)于 unique_ptr, 由于只是在當(dāng)前代碼塊范圍內(nèi)生效, 因此不涉及線程安全問(wèn)題.
2. 對(duì)于 shared_ptr, 多個(gè)對(duì)象需要共用一個(gè)引用計(jì)數(shù)變量, 所以會(huì)存在線程安全問(wèn)題. 但是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候考慮到了這個(gè)問(wèn)題, 基于原子操作(CAS)的方式保證 shared_ptr 能夠高效, 原子的操作引用計(jì)數(shù).

（二）其他常見(jiàn)的各種鎖

1. 悲觀鎖：在每次取數(shù)據(jù)時(shí)，總是擔(dān)心數(shù)據(jù)會(huì)被其他線程修改，所以會(huì)在取數(shù)據(jù)前先加鎖（讀鎖，寫(xiě)鎖，行鎖等），當(dāng)其他線程想要訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)，被阻塞掛起
2. 樂(lè)觀鎖：每次取數(shù)據(jù)時(shí)候，總是樂(lè)觀的認(rèn)為數(shù)據(jù)不會(huì)被其他線程修改，因此不上鎖。但是在更新數(shù)據(jù)前，會(huì)判斷其他數(shù)據(jù)在更新前有沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。主要采用兩種方式：版本號(hào)機(jī)制和CAS操作
3. CAS操作：當(dāng)需要更新數(shù)據(jù)時(shí)，判斷當(dāng)前內(nèi)存值和之前取得的值是否相等。如果相等則用新值更新。若不等則失敗，失敗則重試，一般是一個(gè)自旋的過(guò)程，即不斷重試。
4. 自旋鎖（是否采用自旋鎖，取決于臨界資源訪問(wèn)的時(shí)間的長(zhǎng)短，時(shí)間短，可以采用自旋鎖，即線程不掛起，一直申請(qǐng)所資源）

21. 讀者寫(xiě)者問(wèn)題

讀寫(xiě)鎖

在編寫(xiě)多線程的時(shí)候，有一種情況是十分常見(jiàn)的：有些公共數(shù)據(jù)修改的機(jī)會(huì)比較少，相比較改寫(xiě)，它們讀的機(jī)會(huì)反而高的多。

讀寫(xiě)鎖可以專(zhuān)門(mén)處理這種多讀少寫(xiě)的情況

注意：寫(xiě)和寫(xiě)競(jìng)爭(zhēng)，寫(xiě)和讀競(jìng)爭(zhēng)且同步，讀和讀共享資源，讀鎖優(yōu)先級(jí)高

相關(guān)函數(shù)

初始化

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t

*restrict attr);

銷(xiāo)毀

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

加鎖和解鎖

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //寫(xiě)與寫(xiě)競(jìng)爭(zhēng)

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //讀與寫(xiě)競(jìng)爭(zhēng)

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

代碼（部分）

void * reader(void * arg)  //讀端
{
char *id = (char *)arg;
while (1) 
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
if () //判斷
{
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
break;
}
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
}
return nullptr;
}void * writer(void * arg) //寫(xiě)端
{
char *id = (char *)arg;
while (1) 
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
if () //判斷條件
{
pthread_rwlock_unlock(&rwlock); 
break;
}}
return nullptr;
}

中間一些過(guò)程省略了

底層實(shí)現(xiàn)（偽代碼）

int reader_count = 0;
mutex_t rlock,wlock;
讀端：
lock(&rlock)
reader_count++;
if(reader_count == 1) //第一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)到所資源的讀端
{lock(&wlock); //寫(xiě)段不能訪問(wèn)
}
unlock(&rlock)lock(&rlock);
reader_count--;
if(reader_count == 0)//一開(kāi)始一批讀端的最后一個(gè)
{unlock(&wlock); //此時(shí)讀端可以競(jìng)爭(zhēng)
}
unlock(&rlock);寫(xiě)端：
lock(&wlock);
// ... 寫(xiě)入
unlock(&wlock);