Linux——線程深度剖析（二）
互斥與同步
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互斥是指散佈在不同進程之間的若干程序片斷，當某個進程運行其中一個程序片段時，其它進程就不能運行它 們之中的任一程序片段，只能等到該進程運行完這個程序片段後纔可以運行。
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同步是散佈在不同進程之間的若干程序片斷，它們的運行必須嚴格按照規定的 某種先後次序來運行，這種先後次序依賴於要完成的特定的任務。
臨界資源與臨界區
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臨界資源：多個線程共享的資源
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臨界區：多個線程訪問臨界資源的代碼段
線程安全
因爲進程中的線程共享了進程的虛擬地址空間，因此線程間通信將變得更加簡單，但是缺點也隨之而來：缺乏數據的訪問控制容易造成數據混亂（因爲大家都在爭搶訪問公共資源），導致程序結果出現二義性。
舉個例子：
- 在一個進程中有兩個線程，線程A，線程B，兩個線程同時對一個整形的全局變量a=10進程++操作，預期結果a=12；
- 當線程A拿到CPU之後，對全局a進行++操作，但是該操作是非原子性的，當線程A將10從內存中讀取到寄存器中後，時間片到期，此時線程A就被切換出去了，此時a的值在內存中不變。
- 搶佔式執行的前提下，假設線程B在這個時候拿到了CPU資源，完成了++操作且未被打斷，並將11寫回到了內存當中去。
- 這時候，線程A重新擁有資源，根據程序計數器（保存下一條執行的指令），上下文信息（寄存器中的值），恢復現場，此時線程A從寄存器中拿到的值爲10，並完成++操作，將11寫回內存。
結果與我們的初衷完全不一樣，這就是線程完全問題。
如何保證線程安全
- 通過互斥鎖，讓線程之間互斥
互斥鎖
- 在互斥鎖內部有一個計數器，名爲互斥量。計數器的取值只能爲0或爲1。
- 當計數器取值爲0時，表示當前線程無法獲得互斥鎖，無法訪問臨界資源
- 當計數器取值爲1時，表示當前線程可以獲取互斥鎖，可以訪問臨界資源。
互斥鎖中的計數器如何保證原子性？
獲取資源的時候：
1.寄存器中的值賦值爲0
2.將寄存器中的值與內存的值交換
3.判斷寄存器的值，得出結果
在第二步交換的過程中，系統通過xchgb交換操作，該操作是彙編代碼，一次性完成，該操作保證了原子性。
1.互斥鎖的初始化
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *_mutex,_const pthread_mutex_mutexattr_t* _mutexattr)
- mutex:傳入互斥鎖變量的地址，pthread_mutex_init會初始化互斥變量
- attr:屬性,一般傳遞NULL，採用默認屬性
- pthread_mutex_init：互斥鎖變量的類型
2.加鎖
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
- mutex:傳入互斥鎖變量的地址。
- 如果mutex當中的計數器的值爲1，則pthread_mutex_lock接口就返回了，表示說加鎖成功，同時計數器當中值會被更改爲0，
- 如果mutex當中的計數器的值爲0，則pthread_mutex_lock接口就阻塞了，pthread_mutex_lock接口沒有返回，阻塞在該函數的內部，直到加鎖成功
3.解鎖
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex)；
- 不管是哪一個加鎖接口加鎖成功的，都可以使用該接口進行解鎖
- 解鎖的時候，會將互斥鎖變量當中的計數器的值，從0變成1，表示其他線程可以獲取互斥鎖
4.互斥鎖的銷燬
pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t*);
實例的運用：黃牛搶票
創建四個線程，每個線程在搶票時候進行加鎖，結束後解鎖。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#define THREADCOUNT 4
int g_tickets = 100;
pthread_mutex_t lock_;
void* MyStartThread(void* arg)
{
(void)arg;
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&lock_);
if(g_tickets > 0)
{
printf("i am thread %p, i have ticket %d\n", pthread_self(), g_tickets);
g_tickets--;
}
else
{
pthread_mutex_unlock(&lock_);
break;
}
pthread_mutex_unlock(&lock_);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_mutex_init(&lock_, NULL);
pthread_t tid[THREADCOUNT];
for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
{
int ret = pthread_create(&tid[i], NULL, MyStartThread, NULL);
if(ret < 0)
{
perror("pthread_create");
return -1;
}
}
for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
{
pthread_join(tid[i], NULL);
}
pthread_mutex_destroy(&lock_);
return 0;
}
注意：
- 在任何開始訪問臨界資源的地方進行加鎖
- 在所有可能線程退出的地方進行解鎖，否則可能造成死鎖
條件變量（PCB等待隊列）
它可以使用在資源不滿足的情況下處於休眠狀態，讓出CPU資源，而資源狀態滿足時喚醒線程
1.初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond,pthread_condattr_t* attr)
- cond : pthread_cond_t :條件變量的類型，傳參的時候還是傳入條件變量的地址
- attr:條件變量的屬性，通常傳遞NULL，採用默認屬性
2.等待:將調用該接口的線程放到PCB等待隊列當中
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* cond,pthread_mutex_t* mutex);
- cond:條件變量
- mutex:互斥鎖
- pthread_cond_wait會在內部進行解互斥鎖，且順序是：先放入PCB等待隊列，再進行解鎖
- 接口內部實現的邏輯：1.從PCB等待隊列中移除。 2.搶佔互斥鎖 如果沒有搶到互斥鎖，那將會阻塞在pthread_cond_wait的內部搶鎖邏輯當中
3.喚醒
int pthread_cond_siganl(pthread_cond_t* cond)
- 通知PCB等待隊列當中的線程，將其從隊列當中出來，喚醒該線程
- 喚醒至少一個PCB等待隊列當中的線程
int pthread_cond_broadcast (pthread_cond_t*cond)
- 喚醒PCB等待隊列當中全部的線程
4.釋放
int pthread_cond_destroy (pthread_cond_t* cond)
結合條件變量實戰一下消費者模型：消費者吃麪，生產者做面，當碗裏沒面時，將消費真放進pcb等待隊列，做好後有生產者通知其出隊，當碗裏有面的時，將生產者放入pcb等待隊列，當碗裏喫完的時候由消費者通知其做面。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#define THREADCOUNT 2
int g_bowl = 0;
pthread_mutex_t g_mut;
pthread_cond_t g_cond;
void* EatStart(void* arg)
{
while(1)
{
//eat
pthread_mutex_lock(&g_mut);
while(g_bowl <= 0)
{
pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mut);
}
printf("i am %p, i eat %d\n", pthread_self(), g_bowl);
g_bowl--;
pthread_mutex_unlock(&g_mut);
pthread_cond_signal(&g_cond);
}
return NULL;
}
void* MakeStart(void* arg)
{
while(1)
{
//make
pthread_mutex_lock(&g_mut);
while(g_bowl > 0)
{
pthread_cond_wait(&g_cond, &g_mut);
}
g_bowl++;
printf("i am %p, i make %d\n", pthread_self(), g_bowl);
pthread_mutex_unlock(&g_mut);
pthread_cond_signal(&g_cond);
}
return NULL;
}
int main()
{
pthread_mutex_init(&g_mut, NULL);
pthread_cond_init(&g_cond, NULL);
pthread_t consume[THREADCOUNT], product[THREADCOUNT];
for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
{
int ret = pthread_create(&consume[i], NULL, EatStart, NULL);
if(ret < 0)
{
perror("pthread_create");
return -1;
}
ret = pthread_create(&product[i], NULL, MakeStart, NULL);
if(ret < 0)
{
perror("pthread_create");
return -1;
}
}
for(int i = 0; i < THREADCOUNT; i++)
{
pthread_join(consume[i], NULL);
pthread_join(product[i], NULL);
}
pthread_mutex_destroy(&g_mut);
pthread_cond_destroy(&g_cond);
return 0;
}