目錄

一、概念

二、互斥鎖實(shí)現(xiàn)互斥

三、條件變量實(shí)現(xiàn)同步

????????銀行家算法

生產(chǎn)者與消費(fèi)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(duì)共享資源的操作，則有可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)二義性，而線程安全就指的是，就算對(duì)共享資源進(jìn)行操作也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)二義

實(shí)現(xiàn)：如何實(shí)現(xiàn)多線程中對(duì)共享資源的操作不會(huì)出問(wèn)題

??????? 互斥：通過(guò)同一時(shí)間對(duì)資源訪問(wèn)的唯一性，保證訪問(wèn)安全

?????????????? ? 互斥的實(shí)現(xiàn)：互斥鎖（讀寫(xiě)鎖、自旋鎖...）

??????? 同步：通過(guò)條件控制，讓多執(zhí)行對(duì)資源的獲取更加合理

???????????????? 同步實(shí)現(xiàn)：條件變量、信號(hào)量

二、互斥鎖實(shí)現(xiàn)互斥

實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的唯一訪問(wèn)

1）互斥鎖實(shí)現(xiàn)互斥的原理

??????? 本質(zhì)：就是一個(gè)1/0計(jì)數(shù)器，通過(guò)0/1標(biāo)記資源的訪問(wèn)狀態(tài)（0-不可訪問(wèn)、1-可訪問(wèn)）

?????????????????? 在訪問(wèn)資源之前進(jìn)行加鎖（通過(guò)狀態(tài)判斷是否可訪問(wèn)，不可訪問(wèn)則阻塞）

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

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

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

??????? 多個(gè)線程想要實(shí)現(xiàn)互斥，就必須訪問(wèn)同一個(gè)鎖才可以，也就意味著鎖也是一個(gè)共享資源

?互斥鎖的操作本身必須是安全的：互斥鎖本身計(jì)數(shù)器的操作時(shí)原子操作

2）互斥鎖如何實(shí)現(xiàn)自身操作安全的原理

?我們知道內(nèi)存與cpu之間的數(shù)據(jù)傳輸：當(dāng)進(jìn)行加鎖操作時(shí)，先將鎖中的1置入cpu（先將變量數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到cpu）然后才能從cpu中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（轉(zhuǎn)化為0）然后在從cpu中將數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存指定位置（完成將1替換為0）

然而這樣一種操作就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，如果1從內(nèi)存加載到cpu還沒(méi)有將處理后的0加載回內(nèi)存時(shí)，這時(shí)切換其他線程運(yùn)行訪問(wèn)到的鎖資源仍然為1，就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行加鎖，這無(wú)疑是致命的。

所以對(duì)于鎖資源本身來(lái)說(shuō)，計(jì)數(shù)器的操作必須是原子性的才可以。

有個(gè)指令類(lèi)似于exchange，功能是交換指定寄存器與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)

??????? 1、先將指定寄存器中的值修改為0,

??????? 2、將寄存器與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行互換

??????? 3、判斷是否符合獲取鎖的條件或者說(shuō)判斷是否能夠加鎖

?這樣使用exchange指令就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器操作為原子操作。

3）接口

互斥鎖類(lèi)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(wèn)資源前加鎖

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

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

訪問(wèn)資源后解鎖

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

釋放銷(xiāo)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(xiāo)毀）

4）代碼模擬

當(dāng)不使用互斥鎖線程之間對(duì)同一變量的訪問(wèn)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(hào)票\n",pthread_self(), ticket);ticket--;}else{printf("%p：票完了，我的工作結(jié)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(fù)、負(fù)數(shù)票號(hào)，

為什么呢？就是因?yàn)槊總€(gè)線程之間訪問(wèn)同一變量，一個(gè)線程還正對(duì)變量進(jìn)行操作的時(shí)候另一個(gè)線程也進(jìn)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(hù)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(wèn)之前加鎖if(ticket > 0){usleep(10);printf("%p：我搶到了第 %d 號(hào)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(jié)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(guò)線程創(chuàng)建第四個(gè)參數(shù)傳入入口函數(shù)內(nèi)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?yàn)橘Y源爭(zhēng)搶不當(dāng)導(dǎo)致程序流程卡死無(wú)法繼續(xù)向下推進(jìn)的狀態(tài)。

多個(gè)線程對(duì)鎖資源的爭(zhēng)搶使用不當(dāng)導(dǎo)致程序流程卡死，無(wú)法繼續(xù)向下推進(jìn)的狀態(tài)

1、加鎖之后沒(méi)有釋放就退出，導(dǎo)致其他線程獲取不到鎖資源卡死

2、多鎖使用時(shí)，加鎖順序不當(dāng)，線程1加鎖順序?yàn)锳B，線程2加鎖順序?yàn)锽A

發(fā)生死鎖的必要條件

??????? ① 互斥條件??????? 同一時(shí)間一把鎖只能被一個(gè)線程所獲取到

??????? ② 不可剝奪條件??????? 一個(gè)線程加的鎖，只能自己釋放，其他線程無(wú)法釋放

??????? ③ 請(qǐng)求與保持??????? 一個(gè)線程請(qǐng)求了A鎖之后請(qǐng)求B鎖，如果請(qǐng)求不到就不會(huì)釋放A鎖

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

死鎖的預(yù)防：破壞死鎖產(chǎn)生的必要條件

??????? ① 和 ② 無(wú)法修改

??????? 寫(xiě)代碼時(shí)要注意：

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

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

??????????????? （請(qǐng)求不到新的，則釋放已有的）

避免：銀行家算法、死鎖檢測(cè)算法……

銀行家算法http://t.csdn.cn/1YxZj

三、條件變量實(shí)現(xiàn)同步

1）概念

同步：通過(guò)條件控制，保證資源訪問(wèn)的合理性

條件變量：主要是一個(gè)pcb等待隊(duì)列，以及喚醒和阻塞線程的接口

原理：

??????? 線程1 獲取資源時(shí)進(jìn)行判斷，如果線程不符合資源獲取條件，則調(diào)用阻塞接口進(jìn)行阻塞

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

條件變量需要搭配互斥鎖來(lái)使用

舉例：

??????? 顧客 與 廚師 （消費(fèi)者與生產(chǎn)者）

顧客來(lái)到柜臺(tái)，看到柜臺(tái)有飯則吃飯，否則阻塞

廚師來(lái)到柜臺(tái)，看到柜臺(tái)上沒(méi)有飯則做飯，否則阻塞

顧客：

??????? 0、加鎖（關(guān)門(mén)）

??????? 1、訪問(wèn)柜臺(tái)有沒(méi)有飯

??????????????? 有飯則吃飯，沒(méi)有飯就阻塞

???????????? （這里阻塞時(shí)需要進(jìn)行解鎖，否則廚師就無(wú)法訪問(wèn)柜臺(tái)，也就無(wú)法做飯，產(chǎn)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(lái)一碗?????? 喚醒廚師

??????? 4、解鎖

廚師：

??????? 0、加鎖

??????? 1、訪問(wèn)柜臺(tái)有沒(méi)有飯

??????? ??????? 沒(méi)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(huì)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(lèi)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(shí)長(zhǎng)限制的阻塞

喚醒接口：

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

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

銷(xiāo)毀接口：

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

3）模擬實(shí)現(xiàn)

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>int counter = 0;    // 定義柜臺(tái)狀態(tài) 0——沒(méi)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(méi)飯則解鎖 并阻塞，等待喚醒，喚醒后加鎖}printf("真好吃，再來(lái)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(duì)應(yīng)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(xiāo)毀pthread_cond_destroy(&cond);
}

?實(shí)現(xiàn)四個(gè)顧客四個(gè)廚師

在同步實(shí)現(xiàn)的代碼中，如果存在多種角色，就應(yīng)該定義多個(gè)條件變量，各自處于各自的pcb等待隊(duì)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(lái)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(gè)顧客、四個(gè)廚師pthread_t cus_tid[4];int ret;for(int i = 0; i < 4; i++) // 創(chuàng)建這八個(gè)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(chǎn)者與消費(fèi)者模型

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