线程的同步与互斥

最新推荐文章于 2023-02-15 16:49:41 发布

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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。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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);
}