【Linux】线程互斥

你的名字 2021-11-09 22:56 695阅读 0赞

在之前的博客中，我讲到线程的相关概念和线程的控制，在本节中我们聊一下线程互斥。

#### 五个概念 ####

*  临界资源  
    多线程执行流共享的资源叫做临界资源。大量执行流同时访问时可能会导致数据二义性的问题。
 *  临界区  
    每个线程内部访问临界资源区的代码叫做临界。我们可以通过控制代码的读写规则保证临界区的安全性。
 *  互斥  
    任何时刻有且仅有一个执行流进入临界区的情况称互斥。我们通常在访问临界资源时会对它进行加锁保护，保证数据的安全性。
 *  同步  
    在保证临界资源安全的情况下让多执行流按一定顺序访问它称同步。同步非同时，保证同步是为了协调多执行流的步调，避免饥饿问题。
 *  原子性  
    不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两种状态，要么完成，要么未开始。一般只需要一条汇编代码就可以完成解析。

#### 多线程并发的问题 ####

大部分情况下，线程使用的数据局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况下变量只属于单个线程，其他线程无法访问。但是也有时候，我们的变量需要在进程间共享，这样的变量称为共享数据可用于完成线程间的交互。

然而多线程并发的操作共享变量会带来一些问题：  
先看下面代码

#include <iostream>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    using namespace std;
    int goal=0;
    void* handle(void* arg)
    {
    	int count=10000000;
    	while(count--)
    		goal++;
    	return (void*)1;
    }
    int main()
    {
    	pthread_t t1,t2;
    	pthread_create(&t1,NULL,handle,NULL);
    	pthread_create(&t2,NULL,handle,NULL);
    	sleep(1);
    	cout<<goal<<endl;
    	pthread_join(t1,NULL);
    	pthread_join(t2,NULL);
    	return 0;
    }

不看不知道，一看吓一跳！！本来我以为我写了两个线程分别对goal加10000000次，最后的结果应该是20000000，然而！！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
通过运行结果，我发现运行了三次的结果都不相同，而且也没有正确的结果。那么问题出在哪里呢？  
原来是因为两个线程是并发运行的，不同的线程在执行时有不同的寄存器，他们可能同时取走了某一时刻的goal，对它分别进行++后结果都加了一，但最后写回内存时由原来的加2变成只加1，导致结果越错越离谱。这里的根本原因是++这个操作并不是原子性的。看下图你应该就能明白了  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
来看我们在vs2013下一段简单的反汇编代码：从图中你可以清楚的看到对于goal的++操作分解成了三步，所以这就是导致上面问题的罪魁祸首  
![在这里插入图片描述][2019080209473732.png]  
如果++是一个原子性的操作的话，那么就不会出现上述的问题，所以现在要想解决上面的问题要么将上述代码实现原子性操作，要么实现互斥的机制，Linux中确实提供了原子的++操作(atomic)但是这仅仅解决了当前问题，所以我们这里重点介绍线程的互斥锁实现互斥。

#### 互斥量mutex ####

> 为了解决上面的问题，我们需要做到3点：

1.  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
2.  如果多个线程同时要执行临界区的代码，并且没有线程在执行，那么只允许一个线程进入该临界区
3.  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

要做到以上三点，本质上需要一把锁，Linux下提供了一把锁叫做互斥量：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
接下来我介绍一下互斥量的接口。

##### 互斥量的接口 #####

初始化互斥量：有两种方法

> 1.  静态分配  
>     pthread\_mutex\_t mutex = PTHREAD\_MUTEX\_INITIALIZER
> 2.  动态分配  
>     int pthread\_mutex\_init(pthread\_mutex\_t *restrict mutex, const pthread\_mutexattr\_t*restrict attr);  
>     //参数1为要初始化的互斥锁，参数2一般设置为NULL表示使用默认属性

销毁互斥量：

> int pthread\_mutex\_destroy(pthread\_mutex\_t \*mutex);  
> **注意**：使用PTHREAD\_MUTEX\_INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁  
> 不要销毁一个被加锁的互斥量  
> 已经销毁的互斥量不能再被线程加锁

互斥量加锁和解锁：

> int pthread\_mutex\_lock(pthread\_mutex\_t \*mutex);  
> int pthread\_mutex\_unlock(pthread\_mutex\_t \*mutex);  
> **注意**：调用pthread\_lock时，可能会遇到以下情况：  
> 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

下面我们使用上面的函数，修改之前的代码为线程安全的：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
这时如果当前没有线程在临界区中，那么线程一访问临界资源的时候会先进行加锁处理，当线程二要访问临界资源时发现资源被锁，所以OS将线程二设置为非r状态并将其加入到阻塞队列中等待线程一释放锁资源。这样就可以保证线程在对临界区访问时任一时刻只有一个线程，也就是说我们现在可以认为我们的程序++是原子的。  
运行结果如下：  
![在这里插入图片描述][20190802102520433.png]

##### 互斥量实现的原理 #####

互斥锁的实现原理实际上非常的简单，我之前说到过，当汇编是一句指令时就可以认为是原子的，所以为了实现锁的互斥操作，大多数体系结构对于互斥锁的实现**使用了swap或者exchange指令**，该指令的作用是把寄存器和单元数据交换，因为就算是多线程，总线周期也有先后时间，所以利用此指令总能保证同一个时间只有一个线程进入临界区。

现在我们来看看如何使用swap或者exchange指令实现互斥锁原理，来看下面的一段伪代码：可以看到锁资源最开始拿到的值为1，然后使用swap或exchange指令将寄存器中的值和锁拥有的值交换，如果寄存器中现在值为1，那么表示资源申请成功，如果寄存器中值为0，说明锁资源中的1已经被其他线程交换走了，所以当前进程也就需要进入等待队列。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2x5XzY2OTk_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**注意：** 加锁操作要求原子性，解锁操作无要求。

#### 线程安全 ####

**线程安全**：多个线程并发处理同一段代码时，不会出现不同的结果。常见的对全局变量或者静态变量进行操作并且没有锁的保护下，会出现不同的结果。  
**重入**：同一函数被不同的执行流调用，当前执行流未执行完毕就有其他执行流再次进入，称这种现象为重入。一个函数在重入情况下，运行结果不会出现任何问题，称为[可重入函数][Link 1]，否则称为不可重入函数。

###### 常见线程不安全的情况： ######

1.  不保护共享变量的函数
2.  函数的状态随着被调用，函数发生变化的函数
3.  返回指向静态变量指针的函数
4.  调用线程不安全函数的函数

###### 常见线程安全的情况： ######

1.  每个线程对于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
2.  类或者接口对于线程来说都是原子操作
3.  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

###### 可重入与线程安全 ######

*  可重入函数一定是线程安全的，线程安全的函数不一定可重入
 *  不可重入函数不能由多个线程使用过，否则有线程安全问题
 *  若一个函数中有全局变量，则这个函数既不是线程安全也不是可重入的

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/ly_6699/article/details/97934533