同步与互斥

多线程的同步与互斥

学习https://blog.csdn.net/daaikuaichuan/article/details/82950711

一、同步与互斥的概念

现代操作系统基本都是多任务操作系统，即同时有大量可调度实体在运行。在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能：

都需要访问/使用同一种资源；
多个任务之间有依赖关系，某个任务的运行依赖于另一个任务。
同步】：

是指散步在不同任务之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。最基本的场景就是：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如 A 任务的运行依赖于 B 任务产生的数据。

【互斥】：

是指散步在不同任务之间的若干程序片断，当某个任务运行其中一个程序片段时，其它任务就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该任务运行完这个程序片段后才可以运行。最基本的场景就是：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。

二、互斥锁（同步）

在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于，公司部门里，我在使用着打印机打印东西的同时（还没有打印完），别人刚好也在此刻使用打印机打印东西，如果不做任何处理的话，打印出来的东西肯定是错乱的。
在线程里也有这么一把锁——互斥锁（mutex），互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。

【特点】

1. 原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量；

2. 唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量；

3. 非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

【操作流程】

1. 在访问共享资源后临界区域前，对互斥锁进行加锁；
2. 在访问完成后释放互斥锁导上的锁。在访问完成后释放互斥锁导上的锁；
3. 对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。

   【函数】

#include "pthread.h"
#include "time.h"
// 初始化一个互斥锁。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, 
						const pthread_mutexattr_t *attr);

// 对互斥锁上锁，若互斥锁已经上锁，则调用者一直阻塞，
// 直到互斥锁解锁后再上锁。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

// 调用该函数时，若互斥锁未加锁，则上锁，返回 0；
// 若互斥锁已加锁，则函数直接返回失败，即 EBUSY。
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

// 当线程试图获取一个已加锁的互斥量时，pthread_mutex_timedlock 互斥量
// 原语允许绑定线程阻塞时间。即非阻塞加锁互斥量。
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abs_timeout);

// 对指定的互斥锁解锁。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

// 销毁指定的一个互斥锁。互斥锁在使用完毕后，
// 必须要对互斥锁进行销毁，以释放资源。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

【实例1】

//使用互斥量解决多线程抢占资源的问题
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "unistd.h"
#include "pthread.h"
#include "string.h"
 
char* buf[5]; //字符指针数组  全局变量
int pos; //用于指定上面数组的下标
 
//1.定义互斥量
pthread_mutex_t mutex;
 
void *task(void *p)
{
    //3.使用互斥量进行加锁
    pthread_mutex_lock(&mutex);
 
    buf[pos] = (char *)p;
    sleep(1);
    pos++;
 
    //4.使用互斥量进行解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
 
int main(void)
{
    //2.初始化互斥量, 默认属性
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
 
    //1.启动一个线程 向数组中存储内容
    pthread_t tid, tid2;
    pthread_create(&tid, NULL, task, (void *)"zhangfei");
    pthread_create(&tid2, NULL, task, (void *)"guanyu");
    //2.主线程进程等待,并且打印最终的结果
    pthread_join(tid, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
 
    //5.销毁互斥量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
 
    int i = 0;
    printf("字符指针数组中的内容是：");
    for(i = 0; i < pos; ++i)
    {
        printf("%s ", buf[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

【实例2】

#include "stdio.h"
#include "pthread.h"
#include "time.h"
#include "string.h"
 
int main (void)
{
    int err;
    struct timespec tout;
    struct tm *tmp;
    char buf[64];
    pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    
    pthread_mutex_lock (&lock);
    printf ("mutex is locked\n");
    clock_gettime (CLOCK_REALTIME, &tout);
    tmp = localtime (&tout.tv_sec); 
    strftime (buf, sizeof (buf), "%r", tmp);
    printf ("current time is %s\n", buf);
    tout.tv_sec += 10;
    err = pthread_mutex_timedlock (&lock, &tout);
    clock_gettime (CLOCK_REALTIME, &tout);
    tmp = localtime (&tout.tv_sec);
    strftime (buf, sizeof (buf), "%r", tmp);
    printf ("the time is now %s\n", buf);
    if (err == 0)
        printf ("mutex locked again\n");
    else 
        printf ("can`t lock mutex again:%s\n", strerror (err));
    return 0;
}

三、条件变量（同步）

【特点】

与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。
条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步 的一种机制，主要包括两个动作：

一个线程等待”条件变量的条件成立”而挂起；
另一个线程使 “条件成立”（给出条件成立信号）。

【原理】

  条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量 可以被用来实现这两进程间的线程同步。

【条件变量的操作流程如下】

1. 初始化：init()或者pthread_cond_tcond=PTHREAD_COND_INITIALIER；属性置为NULL；

2. 等待条件成立：pthread_wait，pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真 timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)；

3. 激活条件变量：pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

4. 清除条件变量：destroy;无线程等待,否则返回EBUSY清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY

【实例】

生产者和消费者模型，生产者向队列中插入数据，消费者则在生产者发出队列准备好（有数据了）后接收消息，然后取出数据进行处理。实现的关键点在以下几个方面：

• 生产者和消费者都对条件变量的使用加了锁
• 消费者调用pthread_cond_wait,等待队列是否准备好的信息，注意参数有两个，一个是pthread_cond_t，另外一个是pthread_mutex_t.

代码：

#include "pthread.h"
struct msg {
struct msg *m_next;
/* ... more stuff here ... */
};
struct msg *workq;
pthread_cond_t qready = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t qlock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void
process_msg(void)
{
    struct msg *mp;
    for (;;) {
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    while (workq == NULL)
        pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
    mp = workq;
    workq = mp->m_next;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    /* now process the message mp */
    }
}
void
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    pthread_cond_signal(&qready);
}

【疑问】

为什么pthread_cond_wait需要加锁？？

pthread_cond_wait中的mutex用于保护条件变量，调用这个函数进行等待条件的发生时,mutex会被自动释放，以供其它线程（生产者）改变条件，pthread_cond_wait中的两个步骤必须是原子性的(atomically,万恶的APUE中文版把这个单词翻译成了『自动』，误人子弟啊)，也就是说必须把两个步骤捆绑到一起：

• 把调用线程放到条件等待队列上
• 释放mutex

不然呢，如果不是原子性的，上面的两个步骤中间就可能插入其它操作。比如，如果先释放mutex，这时候生产者线程向队列中添加数据，然后signal,之后消费者线程才去『把调用线程放到等待队列上』，signal信号就这样被丢失了。

如果先把调用线程放到条件等待队列上，这时候另外一个线程发送了pthread_cond_signal（我们知道这个函数的调用是不需要mutex的），然后调用线程立即获取mutex，两次获取mutex会产生deadlock.

在生产者线程中修改条件时为什么要加mutex？？

如果不这么做信号可能会丢失，看下面的例子：

Thead A                             Thread B

pthread_mutex_lock(&qlock);
while (workq == NULL)
                                   mp->m_next = workq;
                                   workq = mp;
                                   pthread_cond_signal(&cond);

pthread_cond_wait(&qready, &qlock);

在while判断之后向队列中插入数据，虽然已经有数据了，但线程A还是调用了pthread_cond_wait等待下一个信号到来。。

消费者线程中判断条件为什么要放在while中？？

while (workq == NULL)
    pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
mp = workq;

我们把while换成if可不可以呢？

if (workq == NULL)
    pthread_cond_wait(&qready, &qlock);
mp = workq;

答案是不可以，一个生产者可能对应着多个消费者，生产者向队列中插入一条数据之后发出signal，然后各个消费者线程的pthread_cond_wait获取mutex后返回，当然，这里只有一个线程获取到了mutex，然后进行处理，其它线程会pending在这里，处理线程处理完毕之后释放mutex，刚才等待的线程中有一个获取mutex，如果这里用if，就会在当前队列为空的状态下继续往下处理，这显然是不合理的。

signal到底是放在unlock之前还是之后？？

void
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
    pthread_cond_signal(&qready);
}

如果先unlock，再signal,如果这时候有一个消费者线程恰好获取mutex，然后进入条件判断，这里就会判断成功，从而跳过pthread_cond_wait,下面的signal就会不起作用；另外一种情况，一个优先级更低的不需要条件判断的线程正好也需要这个mutex，这时候就会转去执行这个优先级低的线程，就违背了设计的初衷。

    void
enqueue_msg(struct msg *mp)
{
    pthread_mutex_lock(&qlock);
    mp->m_next = workq;
    workq = mp;
    pthread_cond_signal(&qready);
    pthread_mutex_unlock(&qlock);
}

如果把signal放在unlock之前，消费者线程会被唤醒，获取mutex发现获取不到，就又去sleep了。浪费了资源.但是在LinuxThreads或者NPTL里面，就不会有这个问题，因为在Linux 线程中，有两个队列，分别是cond_wait队列和mutex_lock队列， cond_signal只是让线程从cond_wait队列移到mutex_lock队列，而不用返回到用户空间，不会有性能的损耗。
所以在Linux中推荐使用这种模式。