多線程控制&多線程安全&死鎖&讀寫鎖

多線程概念

在傳統操作系統上pcb是一個進程，描述一個程序的運行，還有一個tcp描述實現線程，但是 在linux下使用pcb描述實現了程序調度並且這些pcb共用同一個虛擬地址空間，相較於傳統的pcb更加輕量化一點，因此也把linux下的pcb稱之爲輕量級進程。

進程是系統資源分配的基本單位。
線程是CPU調度的基本單位。

線程間的獨有與共享：

獨有：棧，寄存器，信號屏蔽字，errno,標識符
共享：虛擬地址空間（代碼段，數據段），文件描述表，信號處理方式，工作路徑，用戶ID，組ID

多進程/多線程進行多任務處理（優缺點）：

多線程：線程間通信更加方便靈活（全局變量，函數傳參）
線程的創建/銷燬成本更低
線程間的調度成本更低
異常和某個系統調用針對的是整個進程。
多進程：具有獨立性，因此更加穩定，健壯。
例如：對主功能程序安全性穩定性要求更高的最好使用多進程（shell/服務器），剩下的使用多線程
共同優點：
CPU密集型程序/IO密集型程序
並行壓縮CPU處理/並行壓縮IO等待時間
在CPU資源足夠的情況下，可以使程序的性能更高

線程控制

線程控制的接口都是庫函數（操作系統並沒有向用戶提供創建一個輕量級進程的接口，因此大佬門才封裝的一套線程控制接口，所以在使用的時候鏈接庫文件 -lpthread）

線程創建

int pthread_create(pthread_t tid,pthread_attr_t attr,void(thread_routine)(voidarg),void arg);**

tid：用於獲取線程id，通過這個id可以找到線程的描述信息，進而訪問pcb（輕量級進程完成控制）【線程在虛擬地址空間中開闢的線程空間的首地址（線程信息）】
attr:線程屬性，通常置NULL
thread_routine：線程入口函數，創建一個線程就是爲了運行這個函數，函數運行完畢，則線程退出
arg:通過線程入口函數傳遞給線程的參數
返回值：0-成功，非0值-失敗errno

ps -efL | grep create：查看線程

代碼演示：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

void* thread_start(void* arg){

    while(1){
        printf("主線程傳遞了一個參數：%s\n",(char*)arg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}
int main(){

    pthread_t tid;//無符號長整形
    char buf[]="好運來~\n";
    int ret=pthread_create(&tid,NULL,thread_start,(void*)buf);

    if(ret!=0){
        printf("thread create error:%d\n",ret);
        return -1;
    }
    while(1){
        printf("i am main thread\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

運行結果：

線程終止

1.普通線程入口函數中的return
注意：main函數中的return退出的是進程

2.void pthread_exit(viod retval);//退出一個線程，誰調用誰退出*

retval-線程返回值

代碼演示：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

void* thread_start(void* arg){
   sleep(5);
   pthread_exit(NULL);
    while(1){
        printf("主線程傳遞了一個參數：%s\n",(char*)arg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}
int main(){

    pthread_t tid;//無符號長整形
    char buf[]="好運來~\n";
    int ret=pthread_create(&tid,NULL,thread_start,(void*)buf);

    if(ret!=0){
        printf("thread create error:%d\n",ret);
        return -1;
    }
    while(1){
        printf("i am main thread\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

3.int pthread_cancel(pthread_t tid);//退出指定的線程

tid:就是指定的線程id
代碼演示：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

void* thread_start(void* arg){
    while(1){
        printf("主線程傳遞了一個參數：%s\n",(char*)arg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}
int main(){

    pthread_t tid;//無符號長整形
    char buf[]="好運來~\n";
    int ret=pthread_create(&tid,NULL,thread_start,(void*)buf);

    if(ret!=0){
        printf("thread create error:%d\n",ret);
        return -1;
    }
    
    sleep(3);
    pthread_cancel(tid);
    while(1){
        printf("i am main thread\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

注意

1.線程退出不會完全釋放資源，需要被其他線程等待。
2.取消自己是一種違規操作（主線程退出）。
3.主線程退出，並不影響整個進程的運行，只有所有的線程退出，進程纔會退出。

線程等待

等待一個線程的退出，獲取退出線程的返回值，回收這個線程所佔用的資源。
int pthread_join(pthread_t tid,void** retval);

tid:指定要等待的線程id
retval:用於獲取線程退出返回值

代碼演示：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>

void* thread_start(void* arg){

    char* buf="我是錦鯉\n";
    sleep(5);
    pthread_exit(buf);
    while(1){
        printf("主線程傳遞了一個參數：%s\n",(char*)arg);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}
int main(){

    pthread_t tid;//無符號長整形
    char buf[]="好運來~\n";
    int ret=pthread_create(&tid,NULL,thread_start,(void*)buf);

    if(ret!=0){
        printf("thread create error:%d\n",ret);
        return -1;
    }
    void* retval=NULL;
    pthread_join(tid,&retval);
    printf("retval:%s\n",retval);
    while(1){
        printf("i am main thread\n");
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

運行結果：

注意：

不是所有的線程都能被等待，一個線程被創建默認情況下有一個屬性-joinable；處於joinable屬性的線程退出後，不會自動釋放資源，需要被等待。

線程分離

將線程的屬性從joinable設置爲detach；處於detach屬性的線程退出後會自動釋放資源，不需要被等待。

等待一個被分離的線程，則pthread_join會返回錯誤：這不是一個joinable線程（因爲在獲取返回值的時候將獲取不到，detach屬性的線程退出後已經自動釋放了資源）

int pthread_detach(pthread_t tid);//分離指定的線程
線程的分離可以在任意地方，可以在線程入口函數中讓線程分離自己，也可以讓創建線程在創建之後直接分離。

線程安全

在多個執行流中對同一個臨界資源進行訪問，而不會造成數據二義。

如何實現線程安全？

同步

通過一些條件判斷來實現多個執行流對臨界資源訪問的合理性（有資源則訪問，沒有資源則等着，等有資源了再被喚醒）。
條件變量：

1.向用戶提供兩個接口：使一個線程等待的接口和喚醒一個線程的接口
2.等待隊列
posix標準的信號量：

互斥

通過保證同一時間只有一個執行流可以對臨界資源進行訪問（一個執行流訪問期間，其他執行流不能訪問），來保證數據訪問的安全性。
互斥鎖：用於標記當前臨界資源的訪問狀態

計數器：0/1 0-表示不可訪問 1-表示可以訪問
每一個線程訪問臨界資源之前，先判斷計數，當前臨界資源的狀態（是否有人正在訪問–正在訪問的線程將狀態置爲了0（不可訪問狀態））
1.第一個線程訪問的時候，判斷可以訪問，因此將狀態置爲不可訪問，然後去訪問資源
2.其他線程訪問的時候，發現不可訪問，就陷入等待（可中斷休眠狀態）
3.第一個線程訪問臨界資源完畢後，將狀態置爲1（可以訪問）喚醒（將pcb狀態置爲運行態）等待線程，大家重新開始競爭這個資源

死鎖

多個執行流在對多個鎖資源進行爭搶操作，但是因爲推進順序不當，而導致互相等待，流程無法繼續推進的情況。
死鎖產生的四個必要條件：

1.互斥條件：一個鎖只有一個人能加，我加了鎖，其他人就不能加了
2.不可剝奪條件：我加的鎖，別人不能替我釋放
3.請求與保持條件：我加了A鎖，然後請求B鎖，但是請求不到B鎖，我也不釋放A鎖
4.環路等待條件：我拿着A鎖請求B鎖，對方拿着B鎖請求A鎖

預防死鎖:破壞產生死鎖的四個必要條件

1.鎖資源按順序一次性分配
2.加鎖的時候可以使用非阻塞加鎖，若無法加鎖，則將手中的其他鎖釋放

避免死鎖：

銀行家算法：
定義兩種狀態：安全/非安全-
現在有多少資源
現在那些人已經借了多少錢
當前還有那些人需要借多少錢
若給一個執行流分配指定的鎖有可能會造成環路等待（非安全狀態），則不予分配，並且回溯釋放當前執行流已有的資源

讀者寫者模型–讀寫鎖

少量寫臨界資源的執行流+大量讀臨界資源的執行流
特性：不能同時寫，但是可以同時讀（寫互斥，讀共享），寫的時候別人既不能寫，也不能讀；但是讀的時候大家可以一起讀，但是讀的時候不能寫

讀寫鎖的實現：

兩個計數器：讀者計數/寫者計數
讀者計數：>0,表示當前有人正在讀，想要加寫鎖的人就需要等待，而想要加讀鎖可以繼續加
寫者計數：>0,表示當前有人正在寫， 想要加寫鎖的人就需要等待，想要加讀鎖也需要等待
其中不能加鎖時的等待，通過自旋鎖實現
自旋鎖：循環判斷條件，並且強佔CPU（一直處於運行狀態，判斷條件，CPU不可剝奪），比較消耗CPU，比較適合於等待時間比較短的操作