线程间的同步和互斥

一、进程和线程的区别

1.进程是资源分配的最小单位，线程是CPU调度的最小单位，即程序执行的最小单位；
2.每个进程都有自己独立的地址空间，同一个进程的多个线程共用一个地址空间；
3.线程的上下文切换比进程要快；

二、多个线程共享和独占的资源（同一进程内）

同一个进程的多个线程是共用一个地址空间：
共享：代码段、堆区、全局数据区、打开的文件（文件描述符表）
独享：栈区，寄存器
（因为栈区存放的局部变量，函数参数，返回地址等信息）

三、同步和互斥的理解

互斥：某个资源只允许一个线程访问，具有排他性，访问是无序的，哪个线程先抢占到资源，哪个线程就执行，另外的线程等待；
同步：同步是在互斥的基础之上进行的，资源同样是具有唯一性，通过某种机制实现多个线程对一个资源的有序访问；
从上面的解释：同步是更为复杂的互斥，互斥可以理解为一种特殊的同步。

通俗例子：
两条流水线A，B用于装箱，一条流水线C用于封箱，其顺序是先进行装箱操作，才能进行后续的封箱操作。
A、B将装好的箱子，放到C的流水线上，则是先到现放，则A、B之间的关系就是互斥；
A、C之间的关系就是同步；

四、线程间同步的方式：

\qquad 同步的原因：针对线程中的共享资源，一般指全局变量和堆区等，也被称之为临界资源，保证数据的安全性，以及访问的顺序性。

一共有四种方式：
互斥量
读写锁
信号量
条件变量

1、互斥量

\qquad 互斥量即互斥锁（$mutex$），针对共享资源的个数，设置相应数量的锁。通过互斥锁，避免访问共享资源混乱的问题。

使用时，针对共享资源定义一个锁，在使用该资源时，使用lock加锁
步骤：
1.lock（）
2.操作共享资源
3.unlock（）

2、读写锁

\qquad 读写锁（$rwlock$）是互斥锁的升级，从名字可以看出，既可以锁定读操作，也可以锁定写操作，针对多线程，读锁是共享的，而写锁是独占的；

\qquad 当所有的线程都执行读操作时，加读写锁时，此时的状况就是所有的线程都可以并行执行读的操作；（若加的是互斥锁，读操作也是串行进行的）；
若是

在加锁的时候分为：读锁 写锁
1.若一个线程加的是读锁 （$rdlock$） ，另外的线程同样可以调用函数（$rdlock$）加锁，并且可以加锁成功，因为读锁是共享的。

2.若一个线程加的是写锁（$wrlock$） ，另外的线程同样调用该函数（$wrlock$） 加锁，加锁失败，该线程会被阻塞，因为读锁是独占的；

注意：
当读写锁加的是写锁的状态时，其他线程尝试加锁都会被阻塞；
当读写锁加的是读锁的状态时，其他线程尝试加读锁都会成功，但是加写锁都会被阻塞；

3、条件变量

\qquad 条件变量（$conditon$_$variable$）通常和互斥量一起使用；
\qquad 条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量，其他线程咋获得锁之前不会察觉到这种改变，因为互斥量必须在锁定后才能计算条件。
\qquad 一般情况下，条件变量配合互斥锁用于处理生产者和消费者模型。（可以看我的另外的一篇博客：操作系统（C++）——生产者消费者模型）

4、信号量

信号量是一个与队列有关的整型变量；

执行PV操作
P操作：SemWait      申请资源    信号量n--
V操作：SemSignal    释放资源    信号量n++

当 $n>0$ ：当前有可用的资源，可用的资源数量为$n$；
当 $n=0$： 资源都被占用，没有可用的资源；
当 $n<0$：资源都被占用，并且还有$n$个进程在排队；

从上面的解释可以知道：使用信号量达到了排队的目的，实现了访问者对资源的有序访问。

五、其他：

增加小知识：
自旋锁：与互斥锁类似，但是当自旋锁未加锁成功时，会一直处于忙等（自旋）的状态，一直占用CPU资源，若另外的线程锁的时间过长，会导致资源的浪费，所以自旋锁适用于锁被持有的时间短的场景。