POSIX 多线程 ------ 同步

基本术语

• 不变量：由程序作出的 假设，是程序中显式/隐式的一种 不变 的关系

  举例来说，当我们有一个链表的时候，此时的不变量就可以是 每个节点都有一个指向下一个节点的next指针，所以当你删除或者增加节点时，需要维护这个指针

• 临界区：有时也叫 串行区域，指代影响 共享数据 的代码段，每一个临界区都至少对应一个数据不变量， 反之亦然

• 谓词：指代描述代码所需不变量的状态的语句，比如 当队列为空时，线程A...，谓词可以是布尔量、指针、复杂表达式等等，能够指示对所需不变量的状态要求即可

同步机制

同步其实就是在维护不变量，不变量经常会被破坏，而同步需要做的就是在被访问之前将其修复

原子操作

原子，即指不可分割

原子操作就是不可分割的操作，比如 x++ 这句代码，虽然只有一句，但他并非不可分割，也就是说并不是原子的，它会先将x 读入寄存器，然后再 加1，然后再 写回内存，如果在此期间有其他线程访问x则可能会出现非预期的结果

原子操作的实现：

• 硬件支持
• 互斥量

互斥量

互斥量基本概念

确保共享数据一次只能有 一个 线程访问，其他线程需要等待其释放，这可以通过 加锁解锁 实现

通常将互斥量和它要保护的数据定义在一起，如下：

struct tag {
  pthread_mutex_t mutext;
  int value;
};

当没有线程在这个互斥量上阻塞时，且该互斥量没有被加锁，那么可以立即释放它

互斥量的设计

互斥量的大小：并非指占用内存空间，指代的是 保护的串行区域 和 保护的共享数据

• 互斥量并非免费的，加锁和解锁会对性能造成影响，所以互斥量要 尽量少，保护的 串行区域要尽量大

• 互斥量本质是 串行执行，当保护的 串行区域 过大时，多个线程频繁访问会造成大量的等待时间（一次只能一个线程访问），所以互斥量要 足够多，每个互斥量保护的 串行区域要尽量小

这两种策略给出了各自的缺点，实际编程中可以从这两方面去考虑互斥量的设计

死锁

如上图所示，两个进程互相等待对方释放资源，形成了一个循环

死锁发生通常需要满足以下四个条件：

• 互斥条件：每个资源都只能被一个线程占用

• 持有并等待条件：一个线程持有至少一个资源，并等待获取其他资源，这些资源当前被其他线程持有

• 不剥夺条件：线程已获得的资源不能被强制剥夺，必须由线程自行释放

• 循环等待条件：在一个资源的请求链中，形成了一个循环等待的情况

解决办法：（破坏四个条件中的一个即可）

• 固定加锁层次：固定加锁顺序，要锁住B，必须先锁住A

• 试加锁和回退：在 正常锁住 集合中的某一个互斥量后，尝试锁住 集合中的其他互斥量，如果失败，则 释放 所有锁住的互斥量，重新加锁

拓展：

• 层次锁：通过 定义锁的层次关系 来避免死锁的策略。在这种策略下，系统会对所有锁按某种顺序进行排列，并要求线程按照从低到高的顺序获取锁

• 链锁：在链锁中，线程获取锁的顺序不是固定的，而是根据 资源之间的“链”或依赖关系 来动态决定（可以释放之前的互斥量）

特性	层次锁 (Hierarchical Locking)	链锁 (Chain Locking)
死锁避免	通过严格的锁顺序避免死锁	通过动态调整锁顺序，依赖关系明确时也能避免死锁
灵活性	较低，锁的顺序是固定的	高，锁顺序根据资源依赖关系动态决定
实现难度	相对简单，易于理解和实现	较复杂，需要动态管理锁的依赖关系
适用场景	适合资源间依赖关系较简单且需要明确顺序获取锁的场景	适合资源间依赖关系复杂、动态调整锁获取顺序的场景

条件变量

概念

条件变量：

• 是用来通知共享数据状态信息的

• 是与互斥量以及互斥量保护的共享数据相关的信号

• 是程序用来等待某个谓词为真的机制

• 不提供互斥，所以需要和一个互斥量绑定

• 每个条件变量都必须和一个特定的互斥量、一个谓词相关联

解锁和等待操作必须是原子的，这是因为，当线程A需要等待某个条件时，将互斥量解锁，然后陷入等待，如果这不是原子的，在解锁之后阻塞之前，线程B修改了状态，然后查找等待队列看是否需要唤醒其他线程，但此时线程A还未进入等待队列，所以就可能永远不会被唤醒（即使条件已经满足）。故引入了条件变量，它让二者是原子的

线程在等待条件变量时，它必须将相关互斥量锁住。在线程阻塞之前，条件变量操作将解锁互斥量，在它重返线程之前，它会再次锁住互斥量

条件变量在任何时刻只能和一个互斥量相关联，反之不然

条件变量必须在没有任何线程在等待它时销毁。并且通常是 先销毁条件变量，再销毁互斥量

信号与广播

• 信号

  唤醒 一个 正在等待条件变量的线程。如果有多个线程在等待条件变量，只有其中一个线程会被唤醒

• 广播

  唤醒 所有 等待条件变量的线程。所有等待的线程都会被唤醒，并且它们会竞争获得互斥锁，并继续执行

在信号和广播前，应该先锁住互斥量，如果不锁住很可能会造成信号丢失

首先，我们要知道，当没有线程等待条件变量时，pthread_cond_signal 不会做任何事情，并且它不会保存信号。也就是说，信号是一次性的。假设线程A没有锁住互斥量，直接更改条件并发送信号，而线程B很有可能在线程A发送信号之后还没有进入等待队列，因此 信号丢失，永远陷入阻塞等等

所以在信号和广播前锁住互斥量可以保证执行的顺序（即 线程A在线程B释放锁陷入等待之后才会发送信号）

测试谓词

总是测试你的谓词，然后再次测试它

采用 循环 来检查条件，而不是简单地等待一次通知

while (!condition) {
    cond_wait(&cond, &mutex);
}

原因：

如果线程不在循环中检查条件，那么它可能会在条件未满足时继续执行，这可能导致竞争条件或不一致的状态。使用循环可以确保每次线程被唤醒时，只有在条件满足时才继续执行，从而避免了潜在的问题

• 假唤醒：线程等待条件变量时，可能会无缘无故被唤醒，即使没有其他线程显式地通知它

总结

建议你将一组不变量、谓词和他们的互斥量，以及一个或多个的条件变量封装为一个数据结构的元素，并仔细地记录下他们之间的关系