2.线程同步
主要根据这篇文章进行总结学习https://subingwen.cn/linux/thread-sync/
1.线程同步概念
假设有4个线程A、B、C、D，当前一个线程A对内存中的共享资源进行访问的时候，其他线程B, C, D都不可以对这块内存进行操作，直到线程A对这块内存访问完毕为止，B，C，D中的一个才能访问这块内存，剩余的两个需要继续阻塞等待，以此类推，直至所有的线程都对这块内存操作完毕。线程对内存的这种访问方式就称之为线程同步，通过对概念的介绍，我们可以了解到所谓的同步并不是多个线程同时对内存进行访问，而是按照先后顺序依次进行的。
1.1 为什么要同步
点击查看代码
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#define MAX 50
// 全局变量
int number;
// 线程处理函数
void* funcA_num(void* arg)
{
for(int i=0; i<MAX; ++i)
{
int cur = number;
cur++;
usleep(10);
number = cur;
printf("Thread A, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);
}
return NULL;
}
void* funcB_num(void* arg)
{
for(int i=0; i<MAX; ++i)
{
int cur = number;
cur++;
number = cur;
printf("Thread B, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);
usleep(5);
}
return NULL;
}
int main(int argc, const char* argv[])
{
pthread_t p1, p2;
// 创建两个子线程
pthread_create(&p1, NULL, funcA_num, NULL);
pthread_create(&p2, NULL, funcB_num, NULL);
// 阻塞，资源回收
pthread_join(p1, NULL);
pthread_join(p2, NULL);
return 0;
}
编译并执行上面的测试程序，得到如下结果：
点击查看代码
$ ./a.out
Thread B, id = 140504473724672, number = 1
Thread B, id = 140504473724672, number = 2
Thread A, id = 140504482117376, number = 2
Thread B, id = 140504473724672, number = 3
Thread A, id = 140504482117376, number = 4
Thread B, id = 140504473724672, number = 5
Thread A, id = 140504482117376, number = 6
Thread B, id = 140504473724672, number = 7
Thread B, id = 140504473724672, number = 8
Thread A, id = 140504482117376, number = 7
Thread B, id = 140504473724672, number = 8
Thread B, id = 140504473724672, number = 9
Thread A, id = 140504482117376, number = 8
Thread B, id = 140504473724672, number = 9
Thread A, id = 140504482117376, number = 9
Thread B, id = 140504473724672, number = 10
Thread B, id = 140504473724672, number = 11
Thread A, id = 140504482117376, number = 10
Thread B, id = 140504473724672, number = 11
Thread A, id = 140504482117376, number = 11
Thread B, id = 140504473724672, number = 12
Thread A, id = 140504482117376, number = 13
Thread B, id = 140504473724672, number = 14
Thread A, id = 140504482117376, number = 15
Thread B, id = 140504473724672, number = 16
Thread B, id = 140504473724672, number = 17
Thread B, id = 140504473724672, number = 18
Thread B, id = 140504473724672, number = 19
Thread A, id = 140504482117376, number = 17
Thread B, id = 140504473724672, number = 18
Thread B, id = 140504473724672, number = 19
Thread A, id = 140504482117376, number = 19
Thread B, id = 140504473724672, number = 20
Thread A, id = 140504482117376, number = 20
Thread B, id = 140504473724672, number = 21
Thread A, id = 140504482117376, number = 21
Thread B, id = 140504473724672, number = 22
Thread A, id = 140504482117376, number = 22
Thread B, id = 140504473724672, number = 23
Thread A, id = 140504482117376, number = 23
Thread B, id = 140504473724672, number = 24
Thread A, id = 140504482117376, number = 24
Thread B, id = 140504473724672, number = 25
Thread A, id = 140504482117376, number = 25
Thread B, id = 140504473724672, number = 26
Thread A, id = 140504482117376, number = 26
Thread B, id = 140504473724672, number = 27
Thread A, id = 140504482117376, number = 27
Thread B, id = 140504473724672, number = 28
Thread A, id = 140504482117376, number = 28
Thread B, id = 140504473724672, number = 29
Thread A, id = 140504482117376, number = 29
Thread B, id = 140504473724672, number = 30
Thread A, id = 140504482117376, number = 30
Thread B, id = 140504473724672, number = 31
Thread A, id = 140504482117376, number = 31
Thread B, id = 140504473724672, number = 32
Thread A, id = 140504482117376, number = 32
Thread B, id = 140504473724672, number = 33
Thread A, id = 140504482117376, number = 33
Thread B, id = 140504473724672, number = 34
Thread A, id = 140504482117376, number = 34
Thread B, id = 140504473724672, number = 35
Thread A, id = 140504482117376, number = 35
Thread B, id = 140504473724672, number = 36
Thread A, id = 140504482117376, number = 36
Thread B, id = 140504473724672, number = 37
Thread A, id = 140504482117376, number = 37
Thread B, id = 140504473724672, number = 38
Thread A, id = 140504482117376, number = 38
Thread B, id = 140504473724672, number = 39
Thread A, id = 140504482117376, number = 39
Thread A, id = 140504482117376, number = 40
Thread B, id = 140504473724672, number = 41
Thread B, id = 140504473724672, number = 42
Thread A, id = 140504482117376, number = 42
Thread A, id = 140504482117376, number = 43
Thread B, id = 140504473724672, number = 44
Thread B, id = 140504473724672, number = 45
Thread A, id = 140504482117376, number = 45
Thread B, id = 140504473724672, number = 46
Thread A, id = 140504482117376, number = 46
Thread B, id = 140504473724672, number = 47
Thread A, id = 140504482117376, number = 47
Thread B, id = 140504473724672, number = 48
Thread A, id = 140504482117376, number = 48
Thread B, id = 140504473724672, number = 49
Thread A, id = 140504482117376, number = 50
Thread B, id = 140504473724672, number = 51
Thread A, id = 140504482117376, number = 51
Thread B, id = 140504473724672, number = 52
Thread A, id = 140504482117376, number = 53
Thread A, id = 140504482117376, number = 54
Thread A, id = 140504482117376, number = 55
Thread A, id = 140504482117376, number = 56
Thread A, id = 140504482117376, number = 57
Thread A, id = 140504482117376, number = 58
Thread A, id = 140504482117376, number = 59
Thread A, id = 140504482117376, number = 60
Thread A, id = 140504482117376, number = 61
通过对上面例子的测试，可以看出虽然每个线程内部循环了50次每次数一个数，但是最终没有数到100，通过输出的结果可以看到，有些数字被重复数了多次，其原因就是没有对线程进行同步处理，造成了数据的混乱。
两个线程在数数的时候需要分时复用CPU时间片，并且测试程序中调用了sleep()导致线程的CPU时间片没用完就被迫挂起了，这样就能让CPU的上下文切换（保存当前状态, 下一次继续运行的时候需要加载保存的状态）更加频繁，更容易再现数据混乱的这个现象。
CPU对应寄存器、一级缓存、二级缓存、三级缓存是独占的，用于存储处理的数据和线程的状态信息，数据被CPU处理完成需要再次被写入到物理内存中，物理内存数据也可以通过文件IO操作写入到磁盘中。
在测试程序中两个线程共用全局变量number当线程变成运行态之后开始数数，从物理内存加载数据，然后将数据放到CPU进行运算，最后将结果更新到物理内存中。如果数数的两个线程都可以顺利完成这个流程，那么得到的结果肯定是正确的。
1.2同步方式
对于多个线程访问共享资源出现数据混乱的问题，需要进行线程同步。常用的线程同步方式有四种：互斥锁、读写锁、条件变量、信号量。所谓的共享资源就是多个线程共同访问的变量，这些变量通常为全局数据区变量或者堆区变量，这些变量对应的共享资源也被称之为临界资源。
找到临界资源之后，再找和临界资源相关的上下文代码，这样就得到了一个代码块，这个代码块可以称之为临界区。确定好临界区（临界区越小越好）之后，就可以进行线程同步了，线程同步的大致处理思路是这样的：
就像厕所的坑一样
- 在临界区代码的上边，添加加锁函数，对临界区加锁。
-
- 哪个线程调用这句代码，就会把这把锁锁上，其他线程就只能阻塞在锁上了。
- 在临界区代码的下边，添加解锁函数，对临界区解锁。
-
- 出临界区的线程会将锁定的那把锁打开，其他抢到锁的线程就可以进入到临界区了。
- 通过锁机制能保证临界区代码最多只能同时有一个线程访问，这样并行访问就变为串行访问了。
2.互斥锁
只能被一个线程所拥有
两种状态：锁定，打开
被谁锁
2.1互斥锁函数
在Linux中互斥锁的类型为pthread_mutex_t，创建一个这种类型的变量就得到了一把互斥锁：
pthread_mutex_t mutex;
// 初始化互斥锁
// restrict: 是一个关键字, 用来修饰指针, **只有这个关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址**, 其他指针是不行的，比如a=restrict mutex也不行
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
// 释放互斥锁资源
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
参数:
mutex: 互斥锁变量的地址
attr: 互斥锁的属性, 一般使用默认属性即可, 这个参数指定为NULL
// 修改互斥锁的状态, **将其设定为锁定状态**, 这个状态被写入到参数mutex中
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
这个函数被调用, 首先会判断参数 mutex 互斥锁中的状态是不是锁定状态:
- 没有被锁定, 是打开的, 这个线程可以加锁成功, 这个这个锁中会记录是哪个线程加锁成功了
- 如果被锁定了, 其他线程加锁就失败了, 这些线程都会阻塞在这把锁上
- 当这把锁被解开之后, 这些阻塞在锁上的线程就解除阻塞了，并且这些线程是通过竞争的方式对这把锁加锁，没抢到锁的线程继续阻塞
// 尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
调用这个函数对互斥锁变量加锁还是有两种情况:
- 如果这把锁没有被锁定是打开的，线程加锁成功
- 如果锁变量被锁住了，调用这个函数加锁的线程，不会被阻塞，加锁失败直接返回错误号
// 对互斥锁解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
不是所有的线程都可以对互斥锁解锁，哪个线程加的锁, 哪个线程才能解锁成功。
3.死锁
死锁造成的后果是：所有的线程都被阻塞，并且线程的阻塞是无法解开的（因为可以解锁的线程也被阻塞了）。
造成死锁的场景有如下几种：
- 加锁之后忘记解锁
- 重复加锁, 造成死锁
- 在程序中有多个共享资源, 因此有很多把锁，随意加锁，导致相互被阻塞
场景描述:
- 有两个共享资源:X, Y，X对应锁A, Y对应锁B
- 线程A访问资源X, 加锁A
- 线程B访问资源Y, 加锁B
- 线程A要访问资源Y, 线程B要访问资源X，因为资源X和Y已经被对应的锁锁住了，因此这个两个线程被阻塞
- 线程A被锁B阻塞了, 无法打开A锁
- 线程B被锁A阻塞了, 无法打开B锁
4.读写锁
一把锁，但是能做两件事
4.1读写锁函数
pthread_rwlock_t rwlock;//锁的类型为pthread_rwlock_t
之所以称其为读写锁，是因为这把锁既可以锁定读操作，也可以锁定写操作。
锁的状态: 锁定/打开
锁定的是什么操作: 读操作/写操作，使用读写锁锁定了读操作，需要先解锁才能去锁定写操作，反之亦然。
哪个线程将这把锁锁上了
使用读写锁的读锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是并行的，读锁是共享的。
使用读写锁的写锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是串行的，写锁是独占的。
使用读写锁分别对两个临界区加了读锁和写锁，两个线程要同时访问者两个临界区，访问写锁临界区的线程继续运行，访问读锁临界区的线程阻塞，因为写锁比读锁的优先级高。
#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock;
// 初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
// 释放读写锁占用的系统资源
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
参数:
rwlock: 读写锁的地址，传出参数
attr: 读写锁属性，一般使用默认属性，指定为NULL
// 在程序中对读写锁加读锁, 锁定的是读操作
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的；如果读写锁已经锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。
// 这个函数可以有效的避免死锁
// 如果加读锁失败, 不会阻塞当前线程, 直接返回错误号
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 在程序中对读写锁加写锁, 锁定的是写操作
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；如果读写锁已经锁定了读操作或者锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。
// 这个函数可以有效的避免死锁
// 如果加写锁失败, 不会阻塞当前线程, 直接返回错误号
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 解锁, 不管锁定了读还是写都可用解锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
5.条件变量
5.1条件变量函数
条件变量只有在满足指定条件下才会阻塞线程
pthread_cond_t cond;//条件变量类型对应的类型为pthread_cond_t
被条件变量阻塞的线程的线程信息会被记录到这个变量中，以便在解除阻塞的时候使用。
条件变量操作函数函数原型如下：
#include <pthread.h>
pthread_cond_t cond;
// 初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 销毁释放资源
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
参数:
cond: 条件变量的地址
attr: 条件变量属性, 一般使用默认属性, 指定为NULL
// 线程阻塞函数, 哪个线程调用这个函数, 哪个线程就会被阻塞
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);//阻塞时，在函数内部会把互斥锁打开
通过函数原型可以看出，该函数在阻塞线程的时候，需要一个互斥锁参数，这个互斥锁主要功能是进行线程同步，让线程顺序进入临界区，避免出现数共享资源的数据混乱。该函数会对这个互斥锁做以下几件事情：
在阻塞线程时候，如果线程已经对互斥锁mutex上锁，那么会将这把锁打开，这样做是为了避免死锁
当线程解除阻塞的时候，函数内部会帮助这个线程再次将这个mutex互斥锁锁上，继续向下访问临界区
// 表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
time_t tv_sec; /* Seconds */
long tv_nsec; /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
// 将线程阻塞一定的时间长度, 时间到达之后, 线程就解除阻塞了
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
这个函数的前两个参数和pthread_cond_wait函数是一样的，第三个参数表示线程阻塞的时长。
// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 至少有一个被解除阻塞
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 被阻塞的线程全部解除阻塞
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
5.2生产者和消费者
生产者和消费者模型的组成：
- 生产者线程 -> 若干个
-
- 生产商品或者任务放入到任务队列中
-
- 任务队列满了就阻塞, 不满的时候就工作
-
- 通过一个生产者的条件变量控制生产者线程阻塞和非阻塞
- 消费者线程 -> 若干个
-
- 读任务队列, 将任务或者数据取出
-
- 任务队列中有数据就消费，没有数据就阻塞
-
- 通过一个消费者的条件变量控制消费者线程阻塞和非阻塞
- 队列 -> 存储任务/数据，对应一块内存，为了读写访问可以通过一个数据结构维护这块内存
-
- 可以是数组、链表，也可以使用stl容器：queue / stack / list / vector
6.信号量
信号量（信号灯）与互斥锁和条件变量的主要不同在于”灯”的概念，灯亮则意味着资源可用，灯灭则意味着不可用。信号量主要阻塞线程, 不能完全保证线程安全，如果要保证线程安全, 需要信号量和互斥锁一起使用。
6.1信号量函数
#include <semaphore.h>
sem_t sem;//信号的类型为sem_t
#include <semaphore.h>
// 初始化信号量/信号灯
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
// 资源释放, 线程销毁之后调用这个函数即可
// 参数 sem 就是 sem_init() 的第一个参数
int sem_destroy(sem_t *sem);
参数:
sem：信号量变量地址
pshared：
- 0：线程同步
- 非0：进程同步
value：初始化当前信号量拥有的资源数（>=0），如果资源数为0，线程就会被阻塞了。
// 参数 sem 就是 sem_init() 的第一个参数
// 函数被调用，sem中的资源就会被消耗1个, 资源数-1
int sem_wait(sem_t *sem);
当线程调用这个函数，并且sem中的资源数>0，线程不会阻塞，线程会占用sem中的一个资源，因此资源数-1，直到sem中的资源数减为0时，资源被耗尽，因此线程也就被阻塞了。
// 参数 sem 就是 sem_init() 的第一个参数
// 函数被调用sem中的资源就会被消耗1个, 资源数-1
int sem_trywait(sem_t *sem);
当线程调用这个函数，如果资源被耗尽，线程不会被阻塞，直接返回错误号
// 表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
time_t tv_sec; /* Seconds */
long tv_nsec; /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
// 调用该函数线程获取sem中的一个资源，当资源数为0时，线程阻塞，在阻塞abs_timeout对应的时长之后，解除阻塞。
// abs_timeout: 阻塞的时间长度, 单位是s, 是从1970.1.1开始计算的
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
当线程调用这个函数，如果资源被耗尽，线程被阻塞，当阻塞指定的时长之后，线程解除阻塞。
// 调用该函数给sem中的资源数+1
int sem_post(sem_t *sem);
// 查看信号量 sem 中的整形数的当前值, 这个值会被写入到sval指针对应的内存中
// sval是一个传出参数
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
6.2生产者和消费者
初始化信号量的时候没有消费者分配资源，消费者线程启动之后由于没有资源自然就被阻塞了，等生产者生产出产品之后，再给消费者分配资源，这样二者就可以配合着完成生产和消费流程了。
6.3信号量使用
6.3.1总资源数为1
如果生产者和消费者使用的信号量总资源数为1，那么不会出现生产者线程和消费者线程同时访问共享资源的情况，不管生产者和消费者线程有多少个，它们都是顺序执行的。
6.3.2总资源数大于1
如果生产者和消费者线程使用的信号量对应的总资源数为大于1，这种场景下出现的情况就比较多了：
- 多个生产者线程同时生产
- 多个消费者同时消费
- 生产者线程和消费者线程同时生产和消费
以上不管哪一种情况都可能会出现多个线程访问共享资源的情况，如果想防止共享资源出现数据混乱，那么就需要使用互斥锁进行线程同步
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