线程互斥

线程互斥
任何时刻保证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到保护作用

相关概念

• 临界资源 一次仅允许一个进程使用的共享资源
• 临界区 每个线程内部访问临界资源的代码就叫做临界区
• 原子性 不会被任何调度机制打断的操作该操作只有两态无中间态即使被打断也不会受影响要么完成要么未完成

互斥量mutex

概念
多个线程对一个共享变量进行操控时会引发数据不一致的问题。此时就引入了互斥量也叫互斥锁的概念来保证共享数据操作的完整性。在被加锁的任一时刻临界区的代码只能被一个线程访问。

为了更好的阐述这个概念这里用一个抢票代码去演示

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
int ticket=1000;
void* getTicket(void* args)
{
    long id=(long) args;
    while(1)
    {
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            --ticket;
            printf("thread %ld get a ticket,the number is %d\n",id,ticket);
        }
        else
        {
            break;
        }

    }
}
int main()
{
    //创建五个线程
    pthread_t t1[5];
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);
    }
    //主线程在阻塞等待
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_join(t1[i],nullptr);
    }
    return 0;
}

运行结果如下

我们发现票到负数了还会继续执行

原因如下

• 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 这个过程中ticket还没有进行--的操作有很多线程会进入if条件
• –-ticket 操作本身就不是一个原子操作ticket有三条汇编指令如下

movl  ticket(%rip), %eax     # 把ticket的值(内存)加载到eax寄存器中                                                                                                     
subl  $1, %eax               # 把eax寄存器中的值减1
movl  %eax, ticket(%rip)     # 把eax寄存器中的值赋给ticket变量

有可能在你执行到第二条汇编的时候还没来得及拷贝给内存就别切换走了就会导致减到负数因为别的线程在读取的时候内存中的ticket还是1

如何解决上述问题

• 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。

在临界区内线程只能串行执行在临界区外线程可以并发执行

互斥量的接口

互斥量其实就是一把锁是一个类型为pthread_mutex_t的变量使用前需要进行初始化操作使用完之后需要对锁资源进行释放

初始化互斥量:

全局锁或静态锁pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

局部锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, 
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

参数
restrict mutex要初始化的锁
restrict attr不关心置空
返回值
成功返回0失败返回错误码
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
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)等待互斥量解锁再去竞争锁

加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

参数
mutex要加的锁
返回值
成功返回0失败返回错误码

解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

参数

mutex要解的锁

返回值
成功返回0失败返回错误码

销毁互斥量

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

参数
mutex要销毁锁
返回值
成功返回0失败返回错误码

注意

• 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
• 加锁的粒度要够小

用以上的方法再需要的地方进行加锁

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <cassert>
#include <pthread.h>
using namespace std;
int ticket=1000;
class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const string& threadname,pthread_mutex_t* mutex)
            :thread_name(threadname)
            ,mutex_p(mutex)
    {}
    string thread_name;
    pthread_mutex_t* mutex_p;
};
//创建并初始化
//全局的锁这样写可以不用初始化和销毁
// pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER;
void* getTicket(void* args)
{
    ThreadData *td = static_cast<ThreadData *>(args);
    // ThreadData* td=(ThreadData*) args;
    while(1)
    {
        //加锁
        pthread_mutex_lock(td->mutex_p);
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            cout << td->thread_name << " tickets is " << ticket << endl;
            --ticket;
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);
        }
        else
        {
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(td->mutex_p);
            break;
        }
        //抢完票就完了吗需要形成订单给用户
        //这里如果不休息会一直是第4个线程在跑原因是锁只规定互斥访问没有规定必须让谁优先执行
        //锁就是真是的让多个执行流进行竞争的结果
        usleep(1000);
    }
}

int main()
{
    //创建五个线程
    pthread_t t1[5];
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_mutex_init(&lock,nullptr);
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        char buffer[64];
        snprintf(buffer,sizeof(buffer),"%s""%d","thread ",i+1);
        //锁用同一把
        ThreadData* td=new ThreadData(buffer,&lock);
        pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,td);
    }
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_join(t1[i],nullptr);
    }
    pthread_mutex_destroy(&lock);
    return 0;
}

运行结果如下

这里运行会变慢因为加锁以后是串行执行

如何看待锁

锁本身就是一个共享资源全局变量是要被保护的锁用来保护全局资源锁本身也是全局资源所以加锁的过程必须是安全的加锁的过程是**原子的锁如果申请成功继续向后执行**如果暂时没有申请成功执行流会阻塞

如果锁申请成功进入临界资源正在访问临界资源其他线程正在做什么

阻塞等待

如果锁申请成功进入临界资源正在访问临界资源我可以被切换吗

可以当持有线程的锁被切走其他线程依旧无法申请锁成功也无法向后执行直到我释放这个锁

互斥量的原理

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

下面是lock和unlock的伪代码

lock:
	movb $0, %a1     # 把0值放进寄存器a1里
	xchgb %a1, mutex # 交换a1寄存器的内容和锁的值无线程使用锁时metux的值为1 
	if (%a1 > 0)
		return 0; # 得到锁
	else
		挂起等待;
	goto lock;
unlock:
	movb $1 mutex  #把1赋给锁	
	唤醒等待的线程;
	return 0;

下图展示了如何实现

解锁的伪代码步骤只有有锁的线程才可以执行到这段代码

1. 把mutex的值改为1
2. 唤醒等待锁的线程

封装锁

Mutex.hpp

#pragma once

#include <iostream>
#include <pthread.h>

class Mutex
{
public:
    Mutex(pthread_mutex_t *lock_p = nullptr): lock_p_(lock_p)
    {}
    void lock()
    {
        if(lock_p_) pthread_mutex_lock(lock_p_);
    }
    void unlock()
    {
        if(lock_p_) pthread_mutex_unlock(lock_p_);
    }
    ~Mutex()
    {}
private:
    pthread_mutex_t *lock_p_;
};

class LockGuard
{
public:
    LockGuard(pthread_mutex_t *mutex): mutex_(mutex)
    {
        mutex_.lock(); //在构造函数中进行加锁
    }
    ~LockGuard()
    {
        mutex_.unlock(); //在析构函数中进行解锁
    }
private:
    Mutex mutex_;
};

test.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <memory>
#include <cassert>

#include "Mutex.hpp"

// 共享资源 火车票
int tickets = 10000;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *getTicket(void *args)
{
    long long username = (long long)args;
    while (true)
    {
        {
            //出了作用域会销毁
            LockGuard lockguard(&lock); // RAII风格的加锁
            if (tickets > 0)
            {
                usleep(1254); 
                std::cout << username << " 正在进行抢票: " << tickets << std::endl;
                tickets--;
            }
            else
            {
                break;
            }
        }
        usleep(1000); 
    }

    return nullptr;
}
int main()
{

#define NUM 4
    
    pthread_t t1[5];
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
        pthread_create(&t1[i],nullptr,getTicket,(void*)i);
    }
    //主线程保持运行
    for(int i=0;i<5;++i)
    {
         pthread_join(t1[i],nullptr);
    }
    return 0;
}

线程安全和可重入

概念

线程安全 多个线程并发同一段代码时不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作并且没有锁保护的情况下会出现该问题。
重入 同一个函数被不同的执行流调用当前一个流程还没有执行完就有其他的执行流再次进入我们称之为重入。一个函数在重入的情况下运行结果不会出现任何不同或者任何问题则该函数被称为可重入函数否则是不可重入函数。

常见的线程安全的情况

• 每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限而没有写入的权限一般来说这些线程是安全的
• 类或者接口对于线程来说都是原子操作
• 多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性

常见的线程不安全的情况

• 不保护共享变量的函数
• 函数状态随着被调用状态发生变化的函数
• 返回指向静态变量指针的函数
• 调用线程不安全函数的函数

常见可重入的情况

• 不使用全局变量或静态变量
• 不使用用malloc或者new开辟出的空间
• 不调用不可重入函数
• 不返回静态或全局数据所有数据都有函数的调用者提供
• 使用本地数据或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

常见不可重入的情况

• 调用了malloc/free函数因为malloc函数是用全局链表来管理堆的
• 调用了标准I/O库函数标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
• 可重入函数体内使用了静态的数据结构

区别与联系

区别

• 函数是可重入的那就是线程安全的
• 函数是不可重入的那就不能由多个线程使用有可能引发线程安全问题
• 如果一个函数中有全局变量那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的

联系

• 可重入函数是线程安全函数的一种
• 线程安全不一定是可重入的不一定发生线程安全问题而可重入函数则一定是线程安全的。
• 如果将对临界资源的访问加上锁则这个函数是线程安全的但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁因此是不可重入的。

死锁

概念

死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象若无外力作用它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

死锁产生的四个必要条件

• 互斥条件一个资源每次只能被一个执行流使用
• 请求与保持条件一个执行流因请求资源而阻塞时对已获得的资源保持不放
• 不剥夺条件:一个执行流已获得的资源在未使用完之前不能强行剥夺
• 循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系

所谓的必要条件是都要满足才能形成死锁只要有一个不满足就不是死锁

避免死锁

• 破坏死锁的四个条件上面分别对应的是1.不使用锁 2.让一个执行流放开资源 3. 让一个个执行流剥夺一个执行流的资源 4. 调整申请资源的顺序
• 假设顺序要一致
• 避免锁未释放的场景
• 资源一次性分配

避免死锁算法

• 银行家算法为了防止银行家资金无法周转而倒闭对每一笔贷款必须考察其是否能限期归还。在操作系统中研究资源分配策略时也有类似问题系统中有限的资源要供多个进程使用必须保证得到的资源的进程能在有限的时间内归还资源以供其他进程使用资源。
• 死锁检测法