【Linux】线程安全——同步和互斥

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引入

上节中我们学习了多线程的概念和控制，但是实际上多线程的程序会有很多问题的出现。

首先我们看一个多线程程序的例子，一个模拟抢票的程序

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "Thread.hpp"

int ticket = 10000;

void *getTicket(void *arg) // 执行抢票的逻辑
{
   
    while (true)
    {
   
        if (ticket > 0) // 当票量大于0的时候才能抢
        {
   
            usleep(1245); // 模拟抢票前执行的操作
            std::cout << static_cast<const char *>(arg) << "正在抢票" << ticket-- << std::endl; // 抢票
        }
        else // 如果票量小于0就不抢了
        {
   
            break;
        }
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
   
    // 创建4个线程用于抢票
    Thread *thread1 = new Thread(getTicket, (void *)"thread-1");
    Thread *thread2 = new Thread(getTicket, (void *)"thread-2");
    Thread *thread3 = new Thread(getTicket, (void *)"thread-3");
    Thread *thread4 = new Thread(getTicket, (void *)"thread-4");

    thread1->join();
    thread2->join();
    thread3->join();
    thread4->join();

    return 0;
}

这里可以看出多线程的程序出现了一些问题，那么怎么解决呢？

1. Linux线程互斥

1.1 互斥的相关概念

• 临界资源：在计算机中存在着很多共享资源，这些资源是会被很多线程、进程共享的，为了保证这些资源的安全，所以需要被保护起来，这些被保护起来的共享资源就是临界资源

• 临界区：临界资源被访问总是存在访问这些临界资源的代码，这些访问临界资源的代码叫做临界区

• 互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用

• 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，不会有中间状态

1.2 互斥量mutex

现在我们来分析引入中的问题产生的原因：

我们看上面的抢票逻辑的代码，在第11行的地方访问了共享资源ticket

线程1在执行了第11行的代码之后，线程可不可以被切换？当然可以

线程1在此时被切换之后，（我们把情况推向极端，此时ticket就是1），然后线程2被切换过来执行

此时ticket还是1然后执行11行代码进入if的代码块执行完本次循环之后再切回线程1

此时线程1可以直接执行14行代码，将ticket–，此时就出现了抢到-1的情况

这就是上述问题产生的原因，那么如何解决呢？

我们在上面说到了原子性，对于一件事，要么全做，要么不做，这里如果让11行到吗到14行代码变成原子性的，也就能够让这个问题得到解决

使用互斥量mutex就能完成这个任务

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我们知道，一般来说，一条汇编指令就是原子的，但是像++i或者i++都不是原子的，有可能会有数据一致性问题

这是因为这种操作对应了三条汇编指令：

• load:将共享变量i从内存加载到寄存器中
• updata:更新寄存器里面i的值
• store:将新的值从寄存器协会i的内存地址

那如果要解决以上问题，就需要做到三点

• 代码必须要有互斥行为：代码进入临界区执行的时候，不允许其他线程进入该临界区
• 如果多个线程通知要求执行临界区代码，并且临界区没有其他进程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区
• 如果线程不再临界区中执行，那么该线程不能组织其他线程进入临界区

1.3 mutex的使用

mutex也是pthread库提供的。形象的来说，我们也可以把它叫做锁。所以也就有了互斥锁这种说法

1. 互斥锁的类型

2. 定义初始化与销毁

头文件:
#include <pthread.h>
函数原型:
int pthread_mutex_destory(pthread_mutex_t *mutex); // 销毁
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexa