目錄

一、概念

二、互斥鎖實現(xiàn)互斥

三、條件變量實現(xiàn)同步

????????銀行家算法

生產者與消費者模型

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一、概念

概念：在多線程程序中，如果涉及到了對共享資源的操作，則有可能會導致數據二義性，而線程安全就指的是，就算對共享資源進行操作也不會導致數據二義

實現(xiàn)：如何實現(xiàn)多線程中對共享資源的操作不會出問題

??????? 互斥：通過同一時間對資源訪問的唯一性，保證訪問安全

?????????????? ? 互斥的實現(xiàn)：互斥鎖（讀寫鎖、自旋鎖...）

??????? 同步：通過條件控制，讓多執(zhí)行對資源的獲取更加合理

???????????????? 同步實現(xiàn)：條件變量、信號量

二、互斥鎖實現(xiàn)互斥

實現(xiàn)對共享資源的唯一訪問

1）互斥鎖實現(xiàn)互斥的原理

??????? 本質：就是一個1/0計數器，通過0/1標記資源的訪問狀態(tài)（0-不可訪問、1-可訪問）

?????????????????? 在訪問資源之前進行加鎖（通過狀態(tài)判斷是否可訪問，不可訪問則阻塞）

?????????????????? 在訪問資源之后進行解鎖（將資源狀態(tài)置為可訪問狀態(tài)，喚醒其他阻塞的線程）

????????也有另一種理解：訪問資源之前加鎖（獲取鎖資源-獲取不到就阻塞）

???????????????????????????? ????????訪問完畢解鎖（歸還鎖資源）

??????? 多個線程想要實現(xiàn)互斥，就必須訪問同一個鎖才可以，也就意味著鎖也是一個共享資源

?互斥鎖的操作本身必須是安全的：互斥鎖本身計數器的操作時原子操作

2）互斥鎖如何實現(xiàn)自身操作安全的原理

?我們知道內存與cpu之間的數據傳輸：當進行加鎖操作時，先將鎖中的1置入cpu（先將變量數據從內存加載到cpu）然后才能從cpu中對數據進行處理（轉化為0）然后在從cpu中將數據加載到內存指定位置（完成將1替換為0）

然而這樣一種操作就會產生問題，如果1從內存加載到cpu還沒有將處理后的0加載回內存時，這時切換其他線程運行訪問到的鎖資源仍然為1，就會繼續(xù)進行加鎖，這無疑是致命的。

所以對于鎖資源本身來說，計數器的操作必須是原子性的才可以。

有個指令類似于exchange，功能是交換指定寄存器與內存中的數據

??????? 1、先將指定寄存器中的值修改為0,

??????? 2、將寄存器與內存中的數據進行互換

??????? 3、判斷是否符合獲取鎖的條件或者說判斷是否能夠加鎖

?這樣使用exchange指令就可以實現(xiàn)計數器操作為原子操作。

3）接口

互斥鎖類型變量????? pthread_mutex_t

初始化互斥鎖

??????? int pthread_mutex_init（pthread_mutex_t *mutex,? pthread_mutexattr_t *attr）

??????? ????????mutex：互斥鎖變量的地址??????? attr：互斥鎖變量屬性（通常置NULL）

訪問資源前加鎖

??????? int pthread_mutex_lock（pthread_mutex_t *mutex）??????? 阻塞加鎖（老實人）

??????? int pthread_mutex_trylock（pthread_mutex_t *mutex）??????? 非阻塞加鎖（海王）

訪問資源后解鎖

??????? int pthread_mutex_unlock（pthread_mutex_t *mutex）

釋放銷毀互斥鎖

??????? int pthread_mutex_destroy（pthread_mutex_t *mutex）

??????? pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER （這種初始化不需要銷毀）

4）代碼模擬

當不使用互斥鎖線程之間對同一變量的訪問情況如何？

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>int ticket = 100;
void *Scalper(void *arg)
{while(1){if(ticket > 0){usleep(10);printf("%p：我搶到了第 %d 號票\n",pthread_self(), ticket);ticket--;}else{printf("%p：票完了，我的工作結束了\n", pthread_self());break;}}return NULL;
}
int main()
{pthread_t tid[4];for(int i = 0; i < 4; i++){int ret = pthread_create(&tid[i], NULL, Scalper, NULL);if(ret != 0){perror("create error");return -1;}}for(int i = 0; i < 4; i++){pthread_join(tid[i], NULL);}return 0;
}

發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了很多意外情況，重復、負數票號，

為什么呢？就是因為每個線程之間訪問同一變量，一個線程還正對變量進行操作的時候另一個線程也進行操作，于是就發(fā)生了同一變量的多次出現(xiàn)。

?使用互斥鎖保護臨界區(qū)

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>int ticket = 100;
void *Scalper(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(arg);    // 訪問之前加鎖if(ticket > 0){usleep(10);printf("%p：我搶到了第 %d 號票\n",pthread_self(), ticket);ticket--;pthread_mutex_unlock(arg);    // 在所有有可能退出的地方解鎖}else{printf("%p：票完了，我的工作結束了\n", pthread_self());pthread_mutex_unlock(arg);    // 在所有有可能退出的地方解鎖break;}usleep(1);}return NULL;
}
int main()
{pthread_mutex_t mutex;    // 定義鎖變量 mutexpthread_mutex_init(&mutex, NULL);    // 初始化鎖資源pthread_t tid[4];for(int i = 0; i < 4; i++){int ret = pthread_create(&tid[i], NULL, Scalper, &mutex); // 注意鎖資源通過線程創(chuàng)建第四個參數傳入入口函數內if(ret != 0){perror("create error");return -1;}}for(int i = 0; i < 4; i++){pthread_join(tid[i], NULL);}return 0;
}

5）死鎖

死鎖是一種狀態(tài)，是一種因為資源爭搶不當導致程序流程卡死無法繼續(xù)向下推進的狀態(tài)。

多個線程對鎖資源的爭搶使用不當導致程序流程卡死，無法繼續(xù)向下推進的狀態(tài)

1、加鎖之后沒有釋放就退出，導致其他線程獲取不到鎖資源卡死

2、多鎖使用時，加鎖順序不當，線程1加鎖順序為AB，線程2加鎖順序為BA

發(fā)生死鎖的必要條件

??????? ① 互斥條件??????? 同一時間一把鎖只能被一個線程所獲取到

??????? ② 不可剝奪條件??????? 一個線程加的鎖，只能自己釋放，其他線程無法釋放

??????? ③ 請求與保持??????? 一個線程請求了A鎖之后請求B鎖，如果請求不到就不會釋放A鎖

??????? ④ 環(huán)路等待??????? 線程1加了A鎖后請求B鎖，線程2加了B鎖后請求A鎖

死鎖的預防：破壞死鎖產生的必要條件

??????? ① 和 ② 無法修改

??????? 寫代碼時要注意：

??????? 1、線程之間的加解鎖順序盡量一致 -- 盡可能預防環(huán)路等待

??????? 2、采用非阻塞加鎖，如果加不上鎖，則把已經加上的鎖釋放 -- 破壞請求與保持

??????????????? （請求不到新的，則釋放已有的）

避免：銀行家算法、死鎖檢測算法……

銀行家算法http://t.csdn.cn/1YxZj

三、條件變量實現(xiàn)同步

1）概念

同步：通過條件控制，保證資源訪問的合理性

條件變量：主要是一個pcb等待隊列，以及喚醒和阻塞線程的接口

原理：

??????? 線程1 獲取資源時進行判斷，如果線程不符合資源獲取條件，則調用阻塞接口進行阻塞

??????? 線程2 促使資源獲取條件滿足之后（生產資源），通過喚醒接口喚醒阻塞的線程

條件變量需要搭配互斥鎖來使用

舉例：

??????? 顧客 與 廚師 （消費者與生產者）

顧客來到柜臺，看到柜臺有飯則吃飯，否則阻塞

廚師來到柜臺，看到柜臺上沒有飯則做飯，否則阻塞

顧客：

??????? 0、加鎖（關門）

??????? 1、訪問柜臺有沒有飯

??????????????? 有飯則吃飯，沒有飯就阻塞

???????????? （這里阻塞時需要進行解鎖，否則廚師就無法訪問柜臺，也就無法做飯，產生死鎖）

??????????????? 阻塞則需先解鎖，再阻塞，被喚醒之后再加鎖

??????? 2、吃飯

??????? 3、吃完了，再來一碗?????? 喚醒廚師

??????? 4、解鎖

廚師：

??????? 0、加鎖

??????? 1、訪問柜臺有沒有飯

??????? ??????? 沒飯則做飯，有飯則阻塞

??????????????? （這里是有飯就需要解鎖，讓顧客能夠吃飯，否則會死鎖）

??????????????? 阻塞需先解鎖，再阻塞，被喚醒后加鎖

??????? 2、做飯

??????? 3、做好了，喚醒顧客

??????? 4、解鎖

2）接口

定義條件變量：

??????? pthread_cond_t 條件變量的變量類型

初始化條件變量：

??????? pthread_cond_t cond_init (pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr);

阻塞接口：條件變量是搭配互斥鎖一起使用的，就體現(xiàn)在阻塞這一步

????????int pthread_cond_wait (pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex) -- 阻塞接口

??????? int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex,

????????????????????????????????????????????????? struct timespec *t ) -- 有時長限制的阻塞

喚醒接口：

??????? int pthread_cond_signal（pthread_cond_t *cond）??????? 喚醒至少一個阻塞隊列中的線程

??????? int pthread_cond_broadcast（pthread_cond_t *cond）??????? 喚醒等待隊列中所有的線程

銷毀接口：

??????? int pthread_cond_destroy（pthread_cond_t *cond）

3）模擬實現(xiàn)

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>int counter = 0;    // 定義柜臺狀態(tài) 0——沒飯   1——有飯 
pthread_mutex_t mutex;    // 初始化鎖
pthread_cond_t cond;    // 初始化條件變量void* customer(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);    // 先加鎖if(counter==0){pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    // 沒飯則解鎖 并阻塞，等待喚醒，喚醒后加鎖}printf("真好吃，再來一碗\n");counter = 0;pthread_cond_signal(&cond);    // 吃完了喚醒廚師做飯pthread_mutex_unlock(&mutex);    // 解鎖}
}void* cook(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);    // 加鎖if(counter == 1){pthread_cond_wait(&cond, &mutex);    // 有飯則 解鎖并阻塞，等待喚醒，喚醒后加鎖}printf("你的飯好了\n");counter = 1;pthread_cond_signal(&cond);    // 飯做好了喚醒顧客吃飯pthread_mutex_unlock(&mutex);    // 解鎖}
}int main()
{pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    // 初始化定義mutex 和 condpthread_cond_init(&cond, NULL);pthread_t cook_tid;    // 初始化定義線程ID（顧客和廚師）pthread_t cus_tid;int ret;ret = pthread_create(&cook_tid, NULL, cook, NULL);    // 分別創(chuàng)建對應線程if(ret != 0){perror("create error");return -1;}ret = pthread_create(&cus_tid, NULL, customer, NULL);if(ret != 0){perror("create error");return -1;}pthread_join(cook_tid, NULL);    // 執(zhí)行線程等待pthread_join(cus_tid, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);    // 執(zhí)行mutex與cond的銷毀pthread_cond_destroy(&cond);
}

?實現(xiàn)四個顧客四個廚師

在同步實現(xiàn)的代碼中，如果存在多種角色，就應該定義多個條件變量，各自處于各自的pcb等待隊列中。

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond_cus;    // 使用不同的條件變量，防止死鎖
pthread_cond_t cond_cook;
void* customer(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);while(counter <= 0){pthread_cond_wait(&cond_cus, &mutex);}printf("真好吃，再來一碗: %d\n",counter);counter--;pthread_cond_signal(&cond_cook);pthread_mutex_unlock(&mutex);}
}void* cook(void *arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);while(counter > 0){pthread_cond_wait(&cond_cook, &mutex);}printf("你的飯好了：%d\n", counter);counter++;pthread_cond_signal(&cond_cus);pthread_mutex_unlock(&mutex);}
}int main()
{pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond_cus, NULL);pthread_cond_init(&cond_cook, NULL);pthread_t cook_tid[4];    // 定義四個顧客、四個廚師pthread_t cus_tid[4];int ret;for(int i = 0; i < 4; i++) // 創(chuàng)建這八個線程{ret = pthread_create(&cook_tid[i], NULL, cook, NULL);if(ret != 0){perror("create error");return -1;}ret = pthread_create(&cus_tid[i], NULL, customer, NULL);if(ret != 0){perror("create error");return -1;}}pthread_join(cook_tid[0], NULL);pthread_join(cus_tid[0], NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond_cook);pthread_cond_destroy(&cond_cus);
}

?生產者與消費者模型

生產者與消費者模型http://t.csdn.cn/GvZlZ