Linux线程安全篇Ⅱ
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux线程安全篇Ⅱ相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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0、接上篇
1、同步存在的必要性
1.1 样例引入
有了互斥之后，为什么还要有同步呢？
这个问题值得我们讨论，我们知道，互斥通过控制线程的访问时序从而保证线程的安全。既然线程已经是安全的了，那还有同步什么事情呢？
我们通过一个例子慢慢体会一下：
现在有一个这样的场景：
有两个人，A和B，有一只碗，A一直向碗中做面，B一直从碗里吃面。这种情况，我们看到的结果应该要是A做一碗，B吃一碗
将上述情景翻译为线程相关的描述就是：
有一个全局的临界资源g_bowl,其中g_bowl = 1表示有面， g_bowl = 0表示没面。有两个线程A和B，A是一个做面线程，只负责向碗里做面，B是一个吃面线程，只负责从碗里吃面。我们想得到的结果：碗里没面，A去做，碗里有面，B去吃！
好的，我们通过代码模拟一下上面的场景：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#define THREAD_COUNT 1
int g_bowl = 0;//0-->没有面 1-->有面
pthread_mutex_t g_lock;
void* eat_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
printf("I am eat thread: eat %d\\n",g_bowl--);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
usleep(1);
void* make_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
printf("I am make thread: make %d\\n",++g_bowl);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
usleep(1);
int main()
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);
pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];
//创建做面和吃面的线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
//主线程等待工作线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
pthread_join(eat[i],NULL);
pthread_join(make[i],NULL);
//销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&g_lock);
return 0;
输出结果：
从上面的例子我们可以得到这样一个信息：
1、仅仅有互斥是不能够满足我们的程序需求的
2、线程访问临界区代码存在不合理性
1.2 结论
1、多个线程保证了互斥，也就保证了线程能够独占访问临界资源了。但是，并不能保证线程访问临界资源的合理性
2、同步存在的意义就是保证多个线程对临界资源访问的合理性，这个合理性建立在互斥的基础上
那如何实现同步呢？我们可以通过判断的方式解决：
🆗，我们现在将上面的代码更改一下，通过判断的方式，保证线程访问临界资源的合理性~具体的思路如下图：
图解：
我们实现一下代码，其实很简单，只需要在两个线程的入口函数内部加上判断即可：
好的，我们来看一下运行结果：
我们发现结果貌似和我们想要的是一致了。但是这样的代码有什么问题没有？
我们结合代码来分析一下：
运行结果如下：
要想解决这个问题，我们就需要了解条件变量，使用条件变量接口来解决，而不是简单的判断解锁~
2、条件变量
2.1 条件变量的原理 && 使用
原理：
条件变量本质上是一个PCB等待队列，存放着等待的线程的PCB
使用：
线程在加锁之后，先判断临界资源是否可用，如果可用，直接访问临界资源，如果不可用，调用条件变量的等待接口，让线程进行等待。
2.3 条件变量的接口
初始化接口
- 动态初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t * restrict attr);
参数cond：条件变量的指针（地址）
attr：表示条件变量的属性信息，一般传递NULL，表示使用默认属性返回值
初始化成功 ---- 返回0
初始化失败-----设置errno并返回
- 静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER；
等待接口
哪个线程调用等待接口，就将哪个线程放到条件变量对应的PCB等待队列中去
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex)
参数cond：条件变量的指针（地址）
mutex：互斥锁
唤醒接口
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t * cond)；
唤醒PCB等待队列当中的所有线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t * cond)；
唤醒PCB等待队列当中的至少一个线程
销毁接口
将条件变量进行销毁
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond)；
有了这些知识，我们再次对上面的代码做出如下修改：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#define THREAD_COUNT 1
int g_bowl = 0;//0-->没有面 1-->有面
pthread_mutex_t g_lock;
pthread_cond_t g_cond;
void* eat_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
if(g_bowl == 0)
printf("我是吃面人，碗里没有面，我就不吃了~~~\\n");
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock);
printf("I am eat thread: eat %d\\n",g_bowl--);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
//通知做面线程做面
pthread_cond_signal(&g_cond);
void* make_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
if(g_bowl == 1)
printf("我是做面人，碗里有面，我就不做了~~~\\n");
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock);
printf("I am make thread: make %d\\n",++g_bowl);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
//通知吃面线程吃面
pthread_cond_signal(&g_cond);
int main()
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);
//初始化条件变量
pthread_cond_init(&g_cond,NULL);
pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];
//创建做面和吃面的线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
//主线程等待工作线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
pthread_join(eat[i],NULL);
pthread_join(make[i],NULL);
//销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&g_lock);
//销毁条件变量
pthread_cond_destroy(&g_cond);
return 0;
分析代码：
运行结果：
但是，对于多个吃面线程和多个做面线程是否依旧成立呢？我们将县城徐良更改后看一下现象：
让程序跑起来，通过pstack查看线程数量，确保创建的线程符合我们的预期
一共有5个线程，一个主线程和4个工作线程。4个工作线程由2个做面线程和2个吃面线程组成。符合我们的预期
分析运行结果：
为什么会出现这样的现象，是值得我们深思的地方。要想理清楚这里面的缘由，我们需要先搞清楚pthread_cond_wait这个接口都做了些什么工作
2.4 条件变量夺命追问
条件变量的等待接口第二个参数为什么会有互斥锁
前提：在线程访问临界资源之前,一定是加锁访问的，因为要保证互斥！
将互斥锁传递给pthread_cond_wait接口，目的就是让该接口在内部执行解锁操作
为什么要解锁呢？通过下面的分析你可以得到答案
pthread_cond_wait的内部针对互斥锁做了什么操作？先释放互斥锁还是先将线程放到PCB等待队列？
1、pthread_cond_wait接口在内部对互斥锁进行了解锁操作
2、先将线程放到PCB等待队列，再释放互斥锁
执行先后的原因如下：
对于上图的两种情况，分别进行分析：
因此，情况二才是正确的。即先将线程放到PCB等待队列，再对互斥锁进行解锁
线程被唤醒之后会执行什么代码？
pthread_cond_wait函数在被唤醒之后一定会在其内部进行加锁操作
当然，加锁的权限和其他不在PCB等待队列中的线程是一样的，也就是说，它并不一定就能够抢到锁。
1、抢到锁了：pthread_cond_wait函数就真正执行完毕了,函数返回。
2、没有抢到锁：pthread_cond_wait函数没有真正的执行完毕，还处于内部抢锁的逻辑当中，还会继续去抢锁，直到抢到互斥锁后才返回
2.5 条件变量的代码
好的，我们在了解了pthread_cond_wait接口更多细节之后，我们来分析一下，为什么吃面线程和做面线程由1个变为2个之后，程序就出错了呢？
分析的前提场景如下图：
下面描述的场景是有可能存在的，由于线程间是抢占式执行的，因此在分析问题的时候常常使用假设的方式：
那么，我们应该如何更改这个代码呢？
只需要将线程入口函数处的条件判断if更改为while，在pthread_cond_wait接口退出的时候就会循环上去判断临界资源是否可用，进而保证了临界资源访问的合理性！
具体代码如下：
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#define THREAD_COUNT 2
int g_bowl = 0;//0-->没有面 1-->有面
pthread_mutex_t g_lock;
pthread_cond_t g_cond;
void* eat_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
while(g_bowl == 0)
printf("我是吃面人%p，碗里没有面，我就不吃了~~~\\n",pthread_self());
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock);
printf("我是吃面人%p: eat %d\\n",pthread_self(),g_bowl--);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
//通知做面线程做面
pthread_cond_signal(&g_cond);
void* make_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
while(g_bowl == 1)
printf("我是做面人%p，碗里有面，我就不做了~~~\\n",pthread_self());
pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock);
printf("我是做面人%p: make %d\\n",pthread_self(),++g_bowl);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
//通知吃面线程吃面
pthread_cond_signal(&g_cond);
int main()
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);
//初始化条件变量
pthread_cond_init(&g_cond,NULL);
pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];
//创建做面和吃面的线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
//主线程等待工作线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
pthread_join(eat[i],NULL);
pthread_join(make[i],NULL);
//销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&g_lock);
//销毁条件变量
pthread_cond_destroy(&g_cond);
return 0;
运行结果
但是，我们又发现了一个问题，程序运行一段时间就卡死了，也不会退出！
遇到这种情况，我们先通过pstack来查看一下每个线程的状态，进而分析程序出错的原因
为什么会出现所有的工作线程都处于PCB等待队列中呢？
原因是，在线程通知PCB等待队列中的线程的时候，将同种类的线程通知出来了，然后判断临界资源是不可用状态，因此刚被通知出来的线程什么工作也没有做，就又进入PCB等待队列中了。
那因该如何解决这种问题呢？
只需要将吃面线程和做面线程的条件变量分开就可以了。这样吃面线程通知的永远是做面线程条件变量对应的PCB等待队列，做面线程通知的永远是吃面线程条件变量对应的PCB等待队列。这样就不会出现上述的情况了！
🆗，理解到这里我们重新更改一下代码：
这里的代码已经是终极版本了，代码解决了多线程的安全性问题以及对临界资源的访问合理性问题！！
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#define THREAD_COUNT 2
int g_bowl = 0;//0-->没有面 1-->有面
pthread_mutex_t g_lock;
pthread_cond_t g_eat_cond;//吃面线程的条件变量
pthread_cond_t g_make_cond;//做面线程的条件变量
void* eat_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
while(g_bowl == 0)
printf("我是吃面人%p，碗里没有面，我就不吃了~~~\\n",pthread_self());
pthread_cond_wait(&g_eat_cond,&g_lock);
printf("我是吃面人%p: eat %d\\n",pthread_self(),g_bowl--);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
//通知做面线程做面
pthread_cond_signal(&g_make_cond);
void* make_thread_start(void* arg)
while(1)
//加锁
pthread_mutex_lock(&g_lock);
while(g_bowl == 1)
printf("我是做面人%p，碗里有面，我就不做了~~~\\n",pthread_self());
pthread_cond_wait(&g_make_cond,&g_lock);
printf("我是做面人%p: make %d\\n",pthread_self(),++g_bowl);
//解锁
pthread_mutex_unlock(&g_lock);
//通知吃面线程吃面
pthread_cond_signal(&g_eat_cond);
int main()
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);
//初始化条件变量
pthread_cond_init(&g_eat_cond,NULL);
pthread_cond_init(&g_make_cond,NULL);
pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];
//创建做面和吃面的线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL);
if(ret < 0)
perror("pthread_create");
return 0;
//主线程等待工作线程
for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
pthread_join(eat[i],NULL);
pthread_join(make[i],NULL);
//销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&g_lock);
//销毁条件变量
pthread_cond_destroy(&g_eat_cond);
pthread_cond_destroy(&g_make_cond);
return 0;
Linux线程安全篇Ⅰ