Linux下线程同步（带你了解什么是互斥锁死锁读写锁条件变量信号量等）

Posted 2022-08-07 林夕07

线程同步概念

假设有四个线程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，直至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，剩余的俩个需要继续阻塞等待，一次类推，直到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称为线程同步，所谓的现成的同步并不是多个线程同时对内存访问，而是按照先后顺序依次进行的。

源码：

结果图：

CPU对于寄存器、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，数据被处理完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。

上述程序中，俩个线程共用全局变量number当线程变成运行态之后开始计数时，从物理内存(Memory)中加载数据，然后让数据放到CPU进行运算，最后将结果跟新到物理内存中。

如果线程A执行这个过程期间就失去了CPU时间片，线程A被挂起了最新的数据没能更新到物理内存中(保存到了寄存器中)，线程B变成了运行态之后从物理内存读取数据，这个时候B拿的数据就不是最新数据。只能基于旧的数据往后计数，然后失去时间片。线程A在得到时间片变成运行态时，第一件事就是将上次没更新到内存的数据更新到内存(从寄存器拿上次)，但是这样会导致B线程已经跟新到内存的数据被覆盖掉。活白干了。最终导致有些数据会被重复很多次。

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，这些变量对于的共享资源也被称之为临界资源。

互斥锁

互斥锁函数
互斥锁是线程同步最常用的一种方式，通过互斥锁可以锁定一个代码块，被锁定的这个代码块，所有线程只能顺序执行（不能并行处理），这样多线程访问共享资源数据混乱的问题就可以被解决了，需要付出的代价就是执行效率的降低，因为默认临界区多个线程可以并行处理的，现在只能串性处理。

在Linux中互斥锁的类型为pthread_mutex_t,创建一个这样类型的变量就得到了一把互斥锁。ptherad_mutex_t mutex;

在创建的锁对象中保存了当前这把锁的状态信息：锁定还是打开，如果是锁定状态还记录了给这把锁加锁的线程信息（线程ID）。一个互斥锁变量只能被一个线程锁定，被锁定之后其他线程再对互斥锁变量加锁就会被阻塞，直到这把互斥锁被解锁，被阻塞的线程才能被解除阻塞，一般情况下，每一个共享资源对应一把互斥锁,锁的个数与线程的个数无关。

初始互斥锁： int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

释放互斥锁： int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

restrict: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。其他指针不行
mutex：互斥锁变量地址
attr：互斥锁的属性，一般使用默认属性就可以，这个参数指定NULL

修改互斥锁状态
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);
该函数被调用时，首先会判断参数mutex互斥锁中的状态是不是锁定状态。
• 若没有被锁定，时打开的。这个线程可以加锁成功。该锁会记录那个线程加锁成功了
• 锁被锁定了，其他线程加锁就会失败，这些线程就会阻塞到这把锁上。
• 当把这把锁解开之后，阻塞在这把锁的线程就解除阻塞了，并且这些线程通过竞争的方式对这把锁加锁，没抢到锁的线程继续阻塞。
例如：你要去上厕所，发现里面有人，你就在外边等着。

尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
• 如果这把锁没有被锁定，线程加锁成功
• 如果这把锁被锁定后了。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码。
例如：你要去上厕所，发现里面有人，你就去干别的事情了，

互斥锁解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
那个线程加的锁，必须那个线程去解锁。

互斥锁的使用

需要先创建一个互斥锁

再使用互斥锁对需要加锁的位置进行加锁和解锁操作。

全部代码如下：

运行图如下：

死锁

当多个线程访问共享资源时，需要加锁，如果锁使用不当，就会造成死锁现象。如果线程死锁造成的后果是：所有线程都被阻塞，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）。

例如：加锁后忘记解锁

再例如：

1. 当我们加锁后进入if语句后退出(return)了，等其他线程再进来就发现当前已被锁，就阻塞自己。
2. 重复加锁(多加锁了一次)

多个线程对一个临界资源进行访问我们需要一把锁
一个线程对多个临界资源进行访问我们需要多把锁

如何避免死锁：
• 对共享资源访问完毕之后，一定要解锁。或者在加锁的时候使用tylock
• 如果程序中有多把锁，可以控制对锁的访问顺序（顺序访问共享资源，但是有些情况下是做不到的），另外也可以在对其他互斥锁操作前，先释放当前线程拥有的互斥锁。
• 项目程序中可以引入一些专门用于检测死锁的模块

读写锁

读写锁是一把锁，是互斥锁的升级版。在做读操作的时候可以提高程序执行效率，如果所有的线程都是做读操作，那么读是并行的，但是使用互斥锁，读操作也是串行的。

锁的类型为pthread_rwlock_t 这把锁既可以锁定读操作，还可以锁定写操作。
记录信息：

1. 锁的状态：锁定/打开
2. 锁定的是什么操作：读操作/写操作，使用了读写锁锁定了读操作，需要先解锁，再去锁定写操作。
3. 哪个线程将这把锁锁上的

特点：
• 使用了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。
• 使用了读写锁的写锁锁定了临界区，线程对临界区的访问时串性的。写锁是独占的。
• 使用了读写锁分别对俩个临界区区加了读锁和写锁，俩个线程要同时访问着俩个临界区，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。

如果说程序中所有的线程都对共享资源做写操作，使用读写锁没有优势。但是说程序中所有的线程对共享资源既有读也有写操作，使用读写锁更有优势。

初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlock_t *restrict attr);

rwlock:读写锁地址，传出参数
attr：读写锁属性，一般使用默认属性，指定为NULL

释放读写锁占用的系统资源
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);

rwlock:读写锁地址，传出参数

加锁读操作
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t * );
如果读写锁是打开的，那么加锁成功，
如果读写锁锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的。
如果读写锁锁定了写操作，调用这个函数会阻塞。

如果加读锁失败，不会阻塞当前线程，直接返回错误号 有效避免死锁
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t * rwlock);
如果读写锁是打开的，那么加锁成功，
如果读写锁锁定了读操作，调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的。
如果读写锁锁定了写操作，不会阻塞当前线程，函数会返回一个错误码。

加锁写操作
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
如果读写锁是打开的，那么加锁成功，
如果读写锁锁定了读操作，调用这个函数会阻塞。
如果读写锁锁定了写操作，调用这个函数会阻塞。

如果加锁失败，不会阻塞当前线程，直接返回错误号 有效避免死锁
int pthread_rwlock_trywrdlock(pthread_rwlock_t * rwlock);
如果读写锁是打开的，那么加锁成功，
如果读写锁锁定了读操作，不会阻塞当前线程，函数会返回一个错误码。
如果读写锁锁定了写操作，不会阻塞当前线程，函数会返回一个错误码。

解锁 读锁写锁都可以
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t * rwlock);

读写锁使用

题目要求：8个线程操作同一个全局变量，3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一线程。
源码如下：

运行效果图：

条件变量

条件变量函数
条件变量的主要作用不是处理线程同步，而是进行线程阻塞。如果多线程程序中只使用条件变量无法实现线程的同步，必须要配合互斥锁来使用。虽然条件变量和互斥锁都能阻塞线程，但是二者的效果是不一样得到，二者的区别如下：
• 假设有A-Z26个线程，这26个线程共同访问同一把互斥锁，如果A线程加锁成功，那么其余B-Z线程访问互斥锁都阻塞，所有的线程只能顺序访问临界区。
• 条件变量只有在满足指定条件下才会阻塞线程，如果条件不满足，多个线程可以同时进入临界区，同时读写临界区资源，这种情况下还是会出现共享资源中数据混乱。

一般情况下条件变量用于处理生产者和消费者模型，并且和互斥锁配合使用，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信息会被记录到这个变量中，以便在解除阻塞的时候使用。

初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
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

销毁释放资源
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
cond:条件变量的地址

阻塞函数
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex *restrict mutex);
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。会对互斥锁做俩件事
• 1、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，这样避免死锁。
• 2、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。

阻塞时长函数
将线程阻塞一定时长，时间到了，线程就解除阻塞。

struct timespec
time_t tv_sec;   
time_t tv_nsec;
;

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond， pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
前俩个参数和前面阻塞哈数一样，第三个参数是阻塞时长，

唤醒阻塞函数(至少唤醒一个)
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

唤醒阻塞函数(全部唤醒)
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生产者和消费者

场景描述：使用条件变量实现生产者和消费者模型，生产者有5个，往链表头部添加节点，消费者也有5个，删除链表尾巴的节点

源码如下：

接下里我们该做线程同步问题
• 生产者和消费者区域全部上锁
• 当生产者发现生产数量超过5时，阻塞生产者，唤醒消费者。当生产者生产完毕，也需要唤醒消费者。
• 当消费者发现没有产品时，阻塞消费者，唤醒生产者。当消费者消费完毕，也需要唤醒生产者

信号量

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。信号量不一定是锁定某一个资源，而是流程上的概念，比如：有 A，B 两个线程，B 线程要等 A 线程完成某一任务以后再进行自己下面的步骤，这个任务并不一定是锁定某一资源，还可以是进行一些计算或者数据处理之类。流水线

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。

信号量和条件变量一样用于处理生产者和消费者模型，用于阻塞生产者线程或者消费者线程的运行。
信号的类型为 sem_t 对应的头文件为 <semaphore.h>

初始化信号量/信号灯
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
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），如果资源数位0，线程就会被阻塞了。

资源释放，线程销毁之后调用这个函数
int sem_destroy(sem_t *sem);

消耗函数
int sem_wait(sem_t *sem); 函数调用时sem中的资源就会被消耗一个，资源数-1
当线程调用这个函数，并且sem>0，线程不会被阻塞，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。

int sem_trywait(sem_t *sem); 函数调用时sem中的资源就会被消耗一个，资源数-1
当线程调用这个函数，并且sem>0，线程不会被阻塞，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，但是线程不会被阻塞，直接返回错误号，因此可以在程序中添加判断分支，用于处理获取资源失败之后的情况。

解除阻塞时间函数
// 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);

该函数的参数 abs_timeout 和 pthread_cond_timedwait 的最后一个参数是一样的，使用方法不再过多赘述。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，线程被阻塞，当阻塞指定的时长之后，线程解除阻塞。

增加资源函数
// 调用该函数给sem中的资源数+1
int sem_post(sem_t *sem);
调用该函数会将 sem 中的资源数 +1，如果有线程在调用 sem_wait、sem_trywait、sem_timedwait 时因为 sem 中的资源数为 0 被阻塞了，这时这些线程会解除阻塞，获取到资源之后继续向下运行。

查看信号量函数
// 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);

生产者消费者(一个资源量)

一个资源量就不需要线程同步。必然是单线程 ， 只有资源总数为1时候，才可以不加锁
源代码：

生产者消费者（多个资源）

需要加锁，生产者和消费者共用一个链表，所以用一把锁。
锁要在信号量里面。不然有可能会造成死锁（比如：现在资源被消费完毕。然后一直被消费者抢到，进入阻塞，当全部线程被阻塞在消费者这边时，就造成了死锁）

源代码：