Linux 线程安全（1）

news2024/12/23 13:16:11

文章目录

线程互斥概念
互斥实际使用
互斥锁的原理
死锁问题说明

线程互斥概念

执行流

执行流是指操作系统对进程或线程的调度和执行顺序。它决定了程序中的指令按照何种顺序被执行。
现阶段可以粗浅的理解为，执行流决定执行哪个线程或进程的代码(或者说执行流决定了CPU资源的分配)，执行流执行代码的顺序逻辑即为程序员编写代码时的顺序逻辑。一台主机上会有多个进程或线程时，实际上不是一个进程或线程分配到一个执行流(执行流的数量取决于CPU的核心数量), 而是执行流不挺的根据预先设置好的执行流调度算法(即CPU资源分配算法)在各个进程或线程之间切换，由于切换的速度很快、CPU的计算速度很快(对人来说)以及CPU调度算法的作用，用户往往干受不到这个过程。

可重入

函数被不同的执行流调用,有可能在第一次调用还没返回时就再次进入该函数,这称为重入。重入调用函数不会对预先设计好的代码执行逻辑产生影响的称为“可重入函数”。有可能因为重入而造成错乱,像这样的函数称为“不可重入函数”,

不可重入函数的特征：
①调用了malloc或free,因为malloc也是用全局链表来管理堆的。
②调用了标准I/O库函数。标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构。
③修改了全局变量，因为全局变量在函数调用之间可能被修改，从而导致函数的行为不可预测。

执行流切换

执行流切换时，操作系统会保存当前任务的上下文信息，包括程序计数器、寄存器值、栈指针等。这些上下文信息被保存在任务的控制块中。当调度器切换到另一个任务时，它会从该任务的控制块中恢复之前保存的上下文信息，使得该任务可以从上次中断的地方继续执行。

原子性

原子性指的是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，代码的原子性则指的是一行代码要么被执行完要么没开始执行。实际上如果不采取额外的措施，进程或线程切换无法保证代码的原子性的。因为一行代码往往有多条汇编代码组成，汇编代码的执行是原子的，C语言代码不是原子的。例如:
C代码 i++ 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

执行流在执行完load后可能被切换.I++语句没有被完全执行(故i++ 语句不是原子的)，如果这个时候又有执行流对全局变量 i 进行操作，就可能会产生预期之外的结果。

临界资源

多线程执行流共享的资源(如全局变量)就叫做临界资源，每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区。

互斥概念

根据前面对原子性，可重入概念的介绍，可以知道重入访问临界资源会产生错误，但多线程又有访问临界资源的需求，故有了互斥的概念和实现需求。
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。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。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。

互斥实际使用

//1.初始化互斥量锁——静态分配
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 
//1.初始化互斥量——动态分配 
//mutex：要初始化的互斥量 
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, 
const pthread_mutexattr_t*restrict attr);
//2.加锁
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//3.解锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//4.销毁锁
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

使用逻辑图：
在这里插入图片描述
例子：

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

pthread_mutex_t mutex;

void* thread_func(void* arg) 
{
    pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
    printf("Thread %ld is inside the critical section\n", (long)arg);
    pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
    return NULL;
}

int main()
{
    pthread_t thread1, thread2;

    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化锁

    pthread_create(&thread1, NULL, thread_func, (void*)1);
    pthread_create(&thread2, NULL, thread_func, (void*)2);

    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁锁

    return 0;
}

注意：
①使用PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁
②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。
③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。如果互斥量处于锁住状态，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。（线程对互斥量(锁)的争取是原子的，即只有抢到互斥量和没抢到两种状态，同一个互斥量同一时间最多只能被一个线程锁定)。