Linux线程安全与互斥锁详解-优快云博客

上一节我讲了Linux线程的一些基础知识，返现多线程是不安全的，会引发安全问题，所以今天就来讲一下Linux线程安全一节的内容！

1.线程安全概念

线程安全：多个线程同时操作临界资源不会出现数据二义性

2.线程安全的实现

这里要引入两个概念：同步与互斥
同步：临界资源访问的时序可控
互斥：临界资源访同一时间的唯一访问性
临界资源：多线程执行流共享的资源
原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。
可重入/不可重入：多个执行流中是否可以同时进入函数运行而不会出现问题，是否在线程函数中对临界资源进行了非原子操作。

下面来举个例子：（为了举例，当然这是一种理想情况，不可能不存在竞争）
一个系统中多个线程必然要共享一些系统资源，如共享CPU，共享I/O设备。
以打印机为例，线程A在使用打印机时，其他线程不能使用而只能等待，这就是互斥，保证临界资源（打印机）的同一时间的唯一访问性。
线程A用完了，它后面的线程再逐个接着使用，这就是同步，保证临界资源访问的时序可控。

在访问临界资源时会产生资源竞争问题，这就需要实现互斥，那么如何实现互斥呢？
这就需要用到互斥锁（mutex）：
互斥锁原理图：
在这里插入图片描述
上图中就用到了互斥锁变量mutex，当一个线程访问临界资源时就加锁，其他线程只能等待，无法访问，等到该线程访问完毕解锁后，其他线程才能继续访问。

互斥锁的操作步骤：（用到的接口）
1.定义互斥锁变量
pthread_mutex_t mutex

2.初始化互斥锁变量
pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
mutex: 要初始化的互斥量
attr：NULL

3.加锁/解锁
pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
阻塞加锁：加不上锁就阻塞
pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
非阻塞加锁：加不上锁就报错返回
pthread_mutex_timelock(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abs_timeout)
限时阻塞加锁
pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
解锁
返回值：0 失败：错误号

4.销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

加了锁也不是一定就不会出问题，比如会出现死锁情况如下图！！！
在这里插入图片描述

死锁：因为对一些无法加锁的锁，进行加锁而导致程序卡死
产生：对资源的竞争以及进程/线程加锁的推进顺序不当
死锁产生的四个必要条件：
1.互斥操作(我操作的时候别人不能操作)
2.不可剥夺条件(我加的锁.别人不能解)
3.请求与保持条件(拿着手里的，请求其他的，其他的请求不到，手里的也不放)
4.环路等待条件
产生场景：加锁/解锁顺序不同
预防死锁：破坏必要条件
避免死锁：死锁检测算法，银行家算法

银行家算法：
这个算法为什么叫银行家算法呢？是因为这个算法同样适用于银行的贷款业务。

当一个进程申请使用资源的时候，银行家算法通过先试探分配给该进程资源，然后通过安全性算法判断分配后的系统是否处于安全状态，若不安全则试探分配作废，让该进程继续等待。< font>

最后通过安全判定算法通过的序列就称为安全序列，这个安全序列就不会产生类似死锁的情况。
假设有进程P1，P2，，，，Pn
则安全序列应该满足：Pi（0<i<n）需要的资源 = 分配给Pj（0<j<i）的资源 + 剩余资源< font>
为什么还要加上分配给Pj的资源呢？你想想银行贷款他总不可能只出不进吧？别人贷了款总要还款的啊。

int n，m    //系统中的进程数n和资源数m
int Avaliable[1..m]         //资源当前可用总量
int Allocation[1...n,1...m]     //当前分配给各个进程的各种资源数
int Need[1...n,1...m]       //当前每个进程还需分配的各种资源数量
int Work[1...m]         //当前可分配的资源
bool Finish[1...n]     //进程是否完成

银行家算法->安全判定算法
1.初始化
Work = Available (动态记录当前剩余资源)
Finish[i] = false (设当前所有进程均未完成)

2.查找可执行的Pi （未完成的话但是剩余资源能满足其需要，这样也算可以完成）
Finish[i] = false
Need[i]<=Work
如果没有这样的进程Pi，就跳转到第4步

3.如果没有 Pi一定可以完成，并归还分配给其的资源
Finish[i] = true
Work = Work + Allocation[i]
继续返回第2步查找

4.如果所有进程Pi都能完成，即Finish[i] = true
则系统处于安全状态，否则是不安全状态

实现伪代码：

Boolean Found;
Work = Available ;
Finish[1..n] = false;
while(true){
	Found = false;
	for(int i=0;i<n;i++){
		if(Finish[i]==false&&Need[i]<=Work){
			Work = Work + Allocation[i];
			Finish[i] = true;
			Found = true;
 		}
	}
	if(Found == false){
		break;
	}
}
for(int i=0;i<n;i++){
	if(Finish[i]==false){
		return "Unfinished"
	}
}

同步的实现：
临界资源的访问合理性—生产出来才能使用，没有资源则等待（死等），生产资源后唤醒等待。
条件变量：例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

1.定义条件变量
pthread_cond_t n

2.初始化条件变量
pthread_cond_init(&n)

3.等待/唤醒
pthread_cond_wait(&n,&mutex)
pthread_cond_signal(&n)

4.销毁条件变量
pthread_cond_destroy(&n)

条件变量为什么要搭配互斥锁使用？
因为条件变量本身只提供等待与唤醒功能，具体什么时候等待需要用户来进行判断，这个条件的判断，通常涉及到临界资源的操作（其他线程要通过修改条件，来促使条件满足）而这个临界资源的操作应该收保护，因此搭配互斥锁一起使用。< font>

最后给大家举个例子：（利用同步与互斥）
实现了一个简单的黄牛抢票程序

  1 #include<stdio.h>
  2 #include<stdlib.h>
  3 #include<unistd.h>
  4 #include<pthread.h>
  5 
  6 int ticket = 100;
  7 pthread_mutex_t mutex;
  8 
  9 void* pth_start(void* arg){//pthread_create 入口函数
 10     while(1){
 11         pthread_mutex_lock(&mutex);//在访问临界资源前加互斥锁
 12         if(ticket>0){
 13             printf("第 %d 黄牛,抢了张票: %d\n",(int)arg,ticket);
 14             ticket--;
 15         }
 16         else{
 17             pthread_mutex_unlock(&mutex);//如果没票了也要解锁，否为后面将会死等
 18             pthread_exit(NULL);
 19         }
 20         pthread_mutex_unlock(&mutex);//一个黄牛抢到票后要解锁，其他的黄牛可以抢票
 21     }
 22     return NULL;
 23 }
 24 
 25 int main(int argc,char* argv[])
 26 {
 27     pthread_t tid[4];
 28     int i=0,ret;
 29     //互斥锁初始化
 30     pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
 31     //创建四个线程来充当黄牛抢票
 32     for(;i<4;i++){
 33         ret = pthread_create(&tid[i],NULL,pth_start,(void*)i);
 34         if(ret!=0){
 35             printf("yellowbull not exist!");
 36             return -1;
 37         }
 38     }
 39     //退出线程
 40     for(i=0;i<4;i++){
 41         pthread_join(tid[i],NULL);
 42     }
 43     //销毁互斥锁变量
 44     pthread_mutex_destroy(&mutex);
 45     return 0;
 46 }