线程的同步与互斥

本文探讨了多线程环境下共享资源访问的问题,通过分析一个简单的售票系统代码,揭示了同步和互斥的重要性。文中详细解释了原子操作的概念,以及如何使用Linux下的互斥量来实现线程间的同步。

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线程是存在同步和互斥的。我们先来看一个操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket = 100;
void *route(void *arg)
{
    char* id = (char*)arg;
    while(1)
    {
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            printf("&s sells ticket : %d\n",id,ticket);
            ticket--;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t t1,t2,t3,t4;
    pthread_create(&t1,NULL,route,"thread 1");
    pthread_create(&t2,NULL,route,"thread 2");
    pthread_create(&t3,NULL,route,"thread 3");
    pthread_create(&t4,NULL,route,"thread 4");

    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    pthread_join(t3,NULL);
    pthread_join(t4,NULL);
}


通过结果分析,可以看出来这个代码是有问题的。四个线程互相竞争ticket,每次抢一张票后,ticket的数量就会减一。但是–ticket的操作并不是一个原子操作,而是对应三条汇编指令。
load:将共享变量ticket从内存加载到寄存器中。
update:更新寄存器里面的值,执行-1操作。
store:将新值,从寄存器写回共享变量ticket的内存地址。
所以当线程1抢票的时候,还没有抢完,线程2也去抢票,而线程2完成了抢票,票的总数减少了一张。而这时线程1继续抢票是默认的总票数还是原来的票数并没有因为线程2抢了一张票而减一,所以导致了总票数实际上是被取了两张,而只减了一次ticket。这样就出现了问题。为了防止这种问题,需要做到以下三点:
1、代码必须要有互斥行为:当代码进入临界区执行时,不允许其他线程进入该临界区。
2、如果多个线程同时要求执行临界区的代码,并且临界区没有线程在执行,那么只能允许一个线程进入该临界区。
3、如果线程不在临界区中执行,那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。
因此我们引入了“锁”,Linux上提供的这把锁就叫做互斥量。
临界区:只允许一个线程执行,不允许多个线程同时执行
非临界区:可以并发执行代码。

互斥量的接口:
初始化互斥量:
方法1:静态分配:

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

方法2:动态分配

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutexconst 
pthread_mutexattr_t *restrict attr);

销毁互斥量

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

注意:
使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁
不要销毁一个已经加锁的互斥量
已经销毁的互斥量,要确保后面不会有线程再尝试加锁

互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//返回值:成功返回0,失败返回错误号

调用pthread_lock时,可能会遇到以下情况
互斥量处于未锁状态,该函数会将互斥量锁定,同时返回成功
发起函数调用时,其他线程已经锁定互斥量,或者存在其他线程同时申请互斥量,但没有竞争到互斥量,那么pthread_lock调用会陷入阻塞,等待互斥量解锁。

现在我们加入了互斥量,改进一下上面的售票系统

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
int ticket = 100;
pthread_mutex_t mutex;
void *route(void *arg)
{
    char* id = (char*)arg;
    while(1)
    {
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            printf("&s sells ticket : %d\n",id,ticket);
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            //sched_yield();放弃CPU
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
    }
}

int main(void)
{
    pthread_t t1,t2,t3,t4;
    pthread_create(&t1,NULL,route,"thread 1");
    pthread_create(&t2,NULL,route,"thread 2");
    pthread_create(&t3,NULL,route,"thread 3");
    pthread_create(&t4,NULL,route,"thread 4");

    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    pthread_join(t3,NULL);
    pthread_join(t4,NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

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