【Linux】线程互斥

2023-05-16

1.进程线程间的互斥相关背景概念

2.互斥量mutex

2.1.基本概念

2.2.售票系统举例

2.3.解释

3.互斥量的接口

3.1.初始化互斥量

3.1.1.静态分配

3.1.2.动态分配（pthread_mutex_init）

3.2.销毁互斥量

3.3.互斥量加锁和解锁

3.3.1.阻塞加锁(pthread_mutex_lock)

3.3.2.非阻塞加锁（pthread_mutex_trylock)

3.3.2.解锁(pthread_mutex_unlock）

3.4.改进上面的售票系统

4.互斥量实现原理探究

RAII风格的加锁

5.可重入VS线程安全

5.1.概念

5.2.常见的线程不安全的情况

5.3.常见的线程安全的情况

5.4.常见不可重入的情况

5.5.常见可重入的情况

5.6.可重入与线程安全联系

5.7.可重入与线程安全区别

6.死锁

6.1.概念：

6.2.死锁四个必要条件

6.3.避免死锁

6.4.避免死锁的算法（了解）

1.进程线程间的互斥相关背景概念

临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区
互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用
原子性（后面讨论如何实现）：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成

2.互斥量mutex

2.1.基本概念

大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
只有很少一部分代码或者数据线程间共享。
但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量（共享资源），可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。比如：数据不一致问题。
解决方法就是对临界区加锁。让每个线程串行的访问临界资源。---这就是互斥访问。
这个时候多个线程对临界资源的访问就是原子的。-----原子性。
对资源进行操作的时候，如果只用了一条汇编语言就能完成，就是原子的。这是原子性的一种情况。常见的++，-- 不是原子的。

2.2.售票系统举例

// 定义一个全局变量。
int g_val = 10000;
//总票数是10000

//抢票函数
void *fun(void *argc)
{
    std::string str = (char *)argc;
    while (true){
        //判断当前是否有票
        if (g_val > 0){
            usleep(100);
            //这一步等待是精华所在。慢慢体会。
            std::cout << str << " runing...."<<"当前正在进行抢票！！ "
                      << " g_val:" << g_val << std::endl;
                      g_val--;
        }
        else{
            break;
        }
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    //假如有五个人在同时抢票。
    Thread tp1(fun, 1, (void *)"thread-1");
    Thread tp2(fun, 2, (void *)"thread-2");
    Thread tp3(fun, 3, (void *)"thread-3");
    Thread tp4(fun, 4, (void *)"thread-4");
    Thread tp5(fun, 5, (void *)"thread-5");

    tp1.join();
    tp2.join();
    tp3.join();
    tp4.join();
    tp5.join();

    //这是一个测试代码，目的是为了让我们测出抢票，最后把票抢到负数，出现票多卖的问题。
    //就需要尽可以的让多个线程交叉执行。
    //本质是让调度器频繁调度，线程频繁切换。 //线程发生线程切换情况：
    //1.时间片到了。
    //2.来了更高优先级的线程。
    //3.线程等待的时候。
    //线程在内核态返回用户态的时候，OS会对调度状态进行检测，如果满足上述条件，直接发送线程切换。
    

    return 0;
}

运行结果：

很诧异抢票竟然抢到了负数。不可思议。

2.3.解释

原因就是每一个线程对应的抢票过程不是原子的，一个进程抢到一半，突然被调度器切走了。但是票数还没来得及修改，另一个进程认为还有票，也取到了票，但是实际情况是，票已经为负数了。总结就是：

if 语句判断条件为真以后，代码可以并发的切换到其他线程。
usleep 这个模拟漫长业务的过程，在这个漫长的业务过程中，可能有很多个线程会进入该代码段。
--num 操作本身就不是一个原子操作。

分为三步汇编完成：

load ：将共享变量ticket从内存加载到寄存器中
update : 更新寄存器里面的值，执行-1操作
store ：将新值，从寄存器写回共享变量ticket的内存地址

要解决以上问题，需要做到三点：

代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量（mutex）！！！！！！

3.互斥量的接口

3.1.初始化互斥量

初始化互斥量有两种方法：

方法1，静态分配:
方法2，动态分配:

如果一个锁是局部的就必须调用pthread_mutex_init和pthread_mutex_destroy进程初始化（动态分配）。如果一个锁是全局的可以直接静态分配（PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER）。

3.1.1.静态分配

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER；

3.1.2.动态分配（pthread_mutex_init）

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrictattr);
参数：
    mutex：要初始化的互斥量
    attr：nullptr

3.2.销毁互斥量

销毁互斥量需要注意：

使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化（静态分配）的互斥量不需要销毁
不要销毁一个已经加锁的互斥量
已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

3.3.互斥量加锁和解锁

3.3.1.阻塞加锁(pthread_mutex_lock)

注意：

互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

3.3.2.非阻塞加锁（pthread_mutex_trylock)

3.3.2.解锁(pthread_mutex_unlock）

3.4.改进上面的售票系统

// 定义一个全局变量。
int g_val = 10000;
// 总票数是10000

//pthread_mutex_t mutex ;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP;

// 抢票函数
void *fun(void *argc)
{
    std::string str = (char *)argc;
    while (true)
    {
        // 判断当前是否有票
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (g_val > 0)
        {
            usleep(100);
            std::cout << str << " runing...."
                      << "当前正在进行抢票！！ "
                      << " g_val:" << g_val << std::endl;
            g_val--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        //pthread_mutex_unlock(&mutex);//写这里不对。
        usleep(100);
        // 加锁之后每个线程是串行的访问此临界区的。所以程序会变慢一点点。
        // 注意这里需要等待一下，不会都是一个线程会一直抢票，其他线程会出现饥饿状态。
        // 线程互斥只是规定了线程互斥访问，没有规定谁优先执行。就会出现竞争，就会出现饥饿线程。
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    // 假如有五个人在同时抢票。
    Thread tp1(fun, 1, (void *)"thread-1");
    Thread tp2(fun, 2, (void *)"thread-2");
    Thread tp3(fun, 3, (void *)"thread-3");
    Thread tp4(fun, 4, (void *)"thread-4");
    Thread tp5(fun, 5, (void *)"thread-5");

    tp1.join();
    tp2.join();
    tp3.join();
    tp4.join();
    tp5.join();

    return 0;
}

4.互斥量实现原理探究

经过上面的例子，现在我相信大家已经可以很好的理解互斥锁是什么了，互斥锁是用来保护共享资源的，共享资源是能被所有线程访问到的资源，能被多个线程访问，那么就会出现数据不一致的问题导致数据不安全。同样互斥锁也是可以被多个线程访问，互斥锁的数据安全是由于，lock和unlock的两个操作是原子的。

前面我们讲到，如果加锁成功，会成功返回，如果加锁失败，此线程会阻塞自己进入休眠状态。

谁持有锁（加锁成功）谁进入临界区访问临界资源。

经过上面的讲解，大家已经意识到单纯的 i++ 或者 ++i 都不是原子的，有可能会有数据一致性问题
为了实现互斥锁操作,大多数体系结构都提供了swap或exchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换,由于只有一条指令,保证了原子性,即使是多处理器平台,访问内存的总线周期也有先后,一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。

现在我们把lock和unlock的伪代码改一下：