一、互斥鎖

1、CPU 運算過程

執(zhí)行完整個語句后，才會把數(shù)據(jù)寫入內存；如果執(zhí)行時被中斷，那么數(shù)據(jù)和上下文就會保存到線程的 TCB，但數(shù)據(jù)并不會被寫入內存。

1.1. 當 CPU 執(zhí)行完整個語句時

就用上圖舉個例子。?CPU 是如何執(zhí)行 a-- 這個句代碼的呢？

• 第一步，CPU 將內存中變量 a 的值（100）拷貝到運算器中。
• 第二步，在運算器中減一。
• 第三步，把新的值（99）拷回變量 a 里。

1.2. 當 CPU 還未執(zhí)行完這個語句，線程就被換出時

以上圖為例，CPU 剛執(zhí)行完減 1 操作，線程就被換出。遇到這種沒執(zhí)行完語句的情況，CPU 會把計算數(shù)據(jù)和該線程執(zhí)行的上下文（即該線程執(zhí)行到哪一行代碼）拷到該線程的 TCB 里；然后再為下一個線程服務。

2、解決方案——互斥鎖（mutex）

2.0. 什么是互斥問題

當多個線程并發(fā)執(zhí)行，并訪問同一個變量時，就會很容易發(fā)生變量的一致性問題。

如圖所示，假如我想讓變量?a 從 100 減到 0.

線程 1 在做完 a-- 操作后就被換出了：
?

線程 2 正常執(zhí)行完整個減 1 操作，并重復了很多次，直到減到 10，被換出，線程 1 進來了：

而此時 a 這個全局變量又從 10 變成 100 了。

所以，這個變量從始至終都只能被一個執(zhí)行流（線程）訪問。

2.1. 互斥鎖原理

下面這是線程申請鎖和釋放鎖的匯編代碼：

lock: // 申請鎖movb $0, %alxchgb %al, mutexif (al 寄存器的內容 > 0) return 0; // 申請鎖成功else 掛起等待;goto lock;unlock: // 釋放鎖movb $1, mutex喚醒等待 Mutex 的線程；return 0;

但是，如果當該線程執(zhí)行完第一句后就被換出了，那么該線程會把 al 寄存器的值和上下文保存到 TCB；然后再被換出；然后第二個線程再進來從上次的上下文開始接著執(zhí)行。所以，其實申請鎖的本質就是看哪個線程拿到 1，拿到 1 的那個線程就申請到鎖了。

2.2. 相關函數(shù)

2.2.1. pthread_mutex_t 類型

就是互斥鎖的類型。

2.2.2. pthread_mutex_lock 函數(shù)

這個函數(shù)用于申請互斥鎖。注意，這里只是把鎖加上而已，并不會創(chuàng)建鎖。?

2.2.3. pthread_mutex_unlock 函數(shù)

這個函數(shù)用于釋放鎖。注意，這里只是把鎖解開了，鎖還在。

2.2.4. 初始化全局的鎖

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

2.2.5. 初始化局部變量的鎖?

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);參數(shù)：
mutex：要初始化的互斥鎖
attr：nullptr

?2.2.6. 銷毀互斥鎖

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

這個函數(shù)是直接讓鎖消失。

注意：

• 如果創(chuàng)建的鎖是用宏創(chuàng)建的，就不能掉這個函數(shù)。?
• 一定要在解開鎖了之后才能調用這個函數(shù)。
• 確保后面沒有線程用到這個鎖。

2.3. 臨界區(qū)

處于?pthread_mutex_lock 函數(shù)和?pthread_mutex_unlock 函數(shù)之間的區(qū)域就是臨界區(qū)。

2.4. 臨界資源

多線程執(zhí)行流共享的資源就叫做臨界資源。不過，臨界資源都是每次只能讓一個一個線程訪問的。但是當線程申請鎖時，那么鎖也是共享資源；所以申請鎖和釋放鎖本來就被匯編語言設計成原子性的（即只用一句匯編實現(xiàn)）。

二、死鎖

1、產生死鎖的必要條件

• 互斥條件：一個資源每次只能被一個執(zhí)行流使用。
• 請求和保持條件：一個執(zhí)行流因請求資源而阻塞時，它同時也持有已有的資源，且不釋放。
• 不剝奪條件：如果申請不到資源，只能等待，不能強行搶占。
• 循環(huán)條件：執(zhí)行流之間形成有環(huán)的等待資源的關系。

2、如何解決

• 破壞上面的 4 條必要條件的其中一條。
• 資源一次性分配。
• 加鎖順序一致。
• 避免未釋放的場景。

三、同步問題

1、什么是同步

同步就是讓線程按照一定順序獲取資源，而不是一窩蜂地去搶。舉個例子，假如廁所是一個共享資源，一次只能一個人用。當有人進去后，就會有很多人在外面等。如果不同步的話，一旦廁所里的那個人出來，全部人就會一窩蜂地去搶廁所；而如果剛出來的那個人的搶占能力非常強，那么廁所就會一直被搶占能力最強的那個人占用，因為這個人可以出來后再搶。于是就會導致其他人長時間沒得上廁所，進而引發(fā)其他人的饑餓問題。

因此，解決方法就是讓所有人排隊，一個個上廁所。從廁所出來的人無論搶占能力強還是弱，都要去隊尾排隊。這種讓人們有序地使用廁所就是同步。而把線程看成人，那就就是線程的同步了。所以，總結來說，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臨界資源，從而有效避免饑餓問題，叫做同步。

2、條件變量

2.1. 什么是條件變量

還記得前面廁所排隊的例子嗎？條件變量就是這個等待隊列的頭節(jié)點，當申請到資源時，線程就會從等待隊列出來，然后訪問共享資源；而如果線程沒申請到資源時，該線程就會進入以條件變量為頭節(jié)點的等待隊列里。

2.2. 相關函數(shù)

2.2.0.?pthread_cond_t 類型

該類型為條件變量類型。

2.2.1.?初始化全局的條件變量

pthread_cond_t global_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

2.2.1. 初始化局部變量的條件變量

參數(shù)介紹

• cond：條件變量的地址。
• attr：?條件變量的性質。

這個函數(shù)用于初始化條件變量。其實就是初始化等待隊列的頭節(jié)點。

2.2.2. pthread_cond_destroy 函數(shù)

參數(shù)介紹

• cond：傳條件變量的地址。?

注意：

• 如果創(chuàng)建的條件變量是用宏創(chuàng)建的，就不能掉這個函數(shù)。?

這個函數(shù)用于釋放條件變量。其實就是初始化等待隊列的頭節(jié)點。

2.2.3.?pthread_cond_wait 函數(shù)

參數(shù)介紹

cond：傳條件變量的地址。

mutex：傳互斥鎖的地址。?

此函數(shù)用于把線程加入等待隊列。如果此時沒申請到共享資源，該線程就會進入以條件變量為頭節(jié)點的等待隊列里。

2.2.4.?pthread_cond_signal 函數(shù)

參數(shù)介紹

• cond：條件變量地址。?

此函數(shù)用于喚醒線程。 即當線程申請到共享資源時，這個函數(shù)就能讓一個線程的 TCB 退出以條件變量為頭節(jié)點的等待隊列。

2.2.5.?pthread_cond_broadcast 函數(shù)

參數(shù)介紹

• cond：條件變量地址。?

即當線程申請到共享資源時，這個函數(shù)就能讓所有線程的 TCB 退出以條件變量為頭節(jié)點的等待隊列。?

四、應用：生產者消費者問題（cp 問題）

1、什么是生產者消費者問題

簡單來說，前提就是生產者和消費者之間有一個共享資源（共享內存），生產者負責向共享內存放數(shù)據(jù)，消費者負責從共享內存里拿數(shù)據(jù)。然后我們通過一定的策略解決它們的互斥與同步問題。

2、3 種關系

2.1. 生產者與生產者

生產者與生產者之間是競爭關系，因此生產者與生產者之間是互斥關系。

2.2. 生產者與消費者

2.2.1. 互斥關系

因為要保證公共資源的安全性，因此要讓生產者與消費者處于互斥關系，每次只能有一個線程訪問共享資源。

2.2.2. 同步關系

因為共享內存里先有數(shù)據(jù)，消費者才可以拿數(shù)據(jù)。而生產者是負責向內存放數(shù)據(jù)的。因此先有生產者向共享內存放數(shù)據(jù)，才有消費者從共享內存拿數(shù)據(jù)，這是一種順序訪問共享內存；因此生產者與消費者也處于同步關系。

2.3. 消費者與消費者

消費者與消費者之間是競爭關系，因此生產者與生產者之間是互斥關系。