【Linix-Day12-线程同步和线程安全】

news2024/9/24 5:29:16

线程同步 和 线程安全

线程同步

除了信号量和互斥锁（互斥锁和条件变量上次介绍过），还有两种方式同步

1.读写锁

当同时对一块内存读写时，会出现下列问题，故而引入读写锁

在这里插入图片描述

接口介绍：

1.int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, pthread_rwlockattr_t *attr);

函数功能：初始化读写锁

rwlock ：传入定义的读写锁地址

attr : 读写锁的属性，一般默认为 NULL

返回值：如果成功，函数应返回零

2.int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

函数功能：加读锁，其他线程无法写入

rwlock ：传入定义的读写锁地址

3.int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

函数功能：加写锁，其他线程无法写入，读取

rwlock ：传入定义的读写锁地址

4.int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

函数功能：解锁，允许读和写

rwlock ：传入定义的读写锁地址

5.int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

函数功能：销毁读写锁

rwlock ：传入定义的读写锁地址

测试代码：

main.c

include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

pthread_rwlock_t rwlock;

void *fun1(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 30; ++i)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("fun1 read start\n");
        sleep(1);
        printf("fun1 read end\n");
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}
void *fun2(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("fun2 read start\n");
        sleep(3);
        printf("fun2 read end\n");
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}
void *fun3(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        printf("fun3 write start\n");
        sleep(3);
        printf("fun3 write end\n");
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }
}
int main()
{
    pthread_t id[3];
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);
    pthread_create(&id[0], NULL, fun1, NULL);
    pthread_create(&id[0], NULL, fun2, NULL);
    pthread_create(&id[0], NULL, fun3, NULL);
    for (int i = 0; i < 3; ++i)
    {
        pthread_join(id[i], NULL);
    }
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    exit(0);
}

运行结果图：

2.条件变量

条件变量提供了一种线程间的通知机制：当某个共享数据达到某个值的时候，唤醒等待
这个共享数据的线程。

接口介绍：

1. int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *attr);

函数功能：初始化条件变量

cond：定义的条件变量的地址

attr：条件变量的属性，一般默认为 NULL

2. int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

函数功能：进入条件变量等待队列

cond：定义的条件变量的地址

mutex：定义的互斥锁的地址

3. int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

函数功能： 唤醒单个线程

cond：定义的条件变量的地址

4. int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

函数功能：唤醒所有等待的线程

cond：定义的条件变量的地址

5.int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

函数功能：摧毁条件变量

cond：定义的条件变量的地址

测试代码

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
pthread_cond_t cond;
pthread_mutex_t mutex;

void *fun1(void *arg)
{
    char *s = (char *)arg;
    while (1)
    {
        // 阻塞，被唤醒
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        printf("fun1 read:%s\n", s);
        if (strncmp(s, "end", 3) == 0)
        {
            break;
        }
    }
}
void *fun2(void *arg)
{
    char *s = (char *)arg;
    while (1)
    {
        // 阻塞，被唤醒
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        printf("fun2 read:%s\n", s);
        if (strncmp(s,"end",3) == 0)
        {
            break;
        }
    }
}

int main()
{
    pthread_cond_init(&cond, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_t id[2];
    char buff[256]={0};
    pthread_create(&id[0], NULL, fun1, (void*)buff);
    pthread_create(&id[1], NULL, fun2, (void*)buff);
    while(1)
    {
        printf("input: ");
        fflush(stdout);
        fgets(buff,255,stdin);
        printf("\n");
        if(strncmp(buff,"end",3) == 0)
        {
            pthread_cond_broadcast(&cond);
            break;
        }
        else{
            pthread_cond_signal(&cond);
        }
        sleep(1);
    }
    for(int i=0;i<2;++i)
    {
        pthread_join(id[i],NULL);
    }
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    exit(0);
}

运行结果图

在这里插入图片描述

线程安全

在多线程运行的时候，不论线程的调度顺序怎样，最终的结果都是一样的、正确的。那么就说这些线程是安全的。
要保证线程安全需要做到：
1）对线程同步，保证同一时刻只有一个线程访问临界资源。
2）在多线程中使用线程安全的函数（可重入函数），所谓线程安全的函数指的是：如果一个函数能被多个线程同时调用且不发生竟态条件，则我们程它是线程安全的。

下面展示使用不安全的线程函数举例

实现在两个线程中分别打印 char buff[] = “a b c d e f g h i”; char buff[] = “1 2 3 4 5 6 7 8 9”;两个数组

测试代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

void *PthreadFun(void *arg)
{
    char buff[] = "a b c d e f g h i";
    char *p = strtok(buff, " ");
    while (p != NULL)
    {
        printf("fun:: %c\n", *p);
        p = strtok(NULL, " ");
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t id;
    int res = pthread_create(&id, NULL, PthreadFun, NULL);
    assert(res == 0);
    char buff[] = "1 2 3 4 5 6 7 8 9";
    char *p = strtok(buff, " ");
    while (p != NULL)
    {
        printf("main:: %c\n", *p);
        p = strtok(NULL, " ");
        sleep(1);
    }
    exit(0);
}

运行结果

这是因为strtok()是线程不安全函数，内部实现使用了全局变量或静态变量，所以不能同时处理不同的字符串。

解决方法，使用线程安全版的 strtok_r();

char *strtok_r(char *str, const char *delim, char **saveptr);

str ： 数组

delim： 分隔符

saveptr：是指向char*变量的指针，用来维护连续解析相同字符串的调用

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

void *PthreadFun(void *arg)
{
    char *q = NULL;
    char buff[] = "a b c d e f g h i";
    char *p = strtok_r(buff, " ",&q);
    while (p != NULL)
    {
        printf("fun:: %c\n", *p);
        p = strtok_r(NULL, " ",&q);
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    pthread_t id;
    int res = pthread_create(&id, NULL, PthreadFun, NULL);
    assert(res == 0);
    char *q = NULL;
    char buff[] = "1 2 3 4 5 6 7 8 9";
    char *p = strtok_r(buff, " ",&q);
    while (p != NULL)
    {
        printf("main:: %c\n", *p);
        p = strtok_r(NULL, " ",&q);
        sleep(1);
    }
    exit(0);
}

运行结果

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