Linux的学习之路：22、线程（2）

摘要

本章继续讲一下线程的东西

摘要

一、抢票

二、加锁保护

三、死锁

1、死锁四个必要条件

2、避免死锁

四、同步

1、常见的线程安全的情况

2、常见不可重入的情况

3、常见可重入的情况

4、可重入与线程安全联系

5、可重入与线程安全区别

一、抢票

这里回顾一下指令

pthread_create创建一个线程

- `thread`：指向线程标识符的指针。在成功创建线程后，线程 ID 被存储在此变量中。

- `attr`：指向线程属性的指针。可以使用默认属性，传入 `NULL`。

- `start_routine`：指向线程函数的指针。新线程将从此函数的起始点开始执行。

- `arg`：传递给线程函数的参数。

pthread_join等待线程

- `thread`：要等待的线程 ID。

- `value_ptr`：指向线程返回值的指针。可以传入 `NULL`。

pthread_exit结束线程其原型如下：

void pthread_exit(void *value_ptr);

- `value_ptr`：线程的返回值。

如下方截图所示就是使用函数进行创建三个线程进行抢票，结果发现抢到了-1这个显然是不可能的，这个按照我的思想是抢到一就停止，这个显然是不可能的。

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <cstring>
using namespace std;

int tickets = 10000; 

void *getTickets(void *args)
{
    (void)args;
    while(true)
    {
        if(tickets > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%p: %d\n", pthread_self(), tickets);//打印自己的id，并且打印剩余票数
            tickets--;
        }
        else{
            break;
        }
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t t1,t2,t3;
    // 多线程抢票的逻辑
    pthread_create(&t1, nullptr, getTickets, nullptr);//创建三个多线程
    pthread_create(&t2, nullptr, getTickets, nullptr);
    pthread_create(&t3, nullptr, getTickets, nullptr);

    pthread_join(t1, nullptr);//等待线程结束
    pthread_join(t2, nullptr);
    pthread_join(t3, nullptr);
}

出现上图中这种情况是因为当我现在这个线程在申请抢票的时候，但是因为cpu的速度很快，同时另一个线程也到执行了，所以在这个线程结束的时候，另外一个也结束了，但是他不知道这个票引已经没了，所以就会出现这种情况，所以在图中就可以看出需要一个方案解决这个问题，所以引出了加锁这个概念。

二、加锁保护

加锁保护：加锁的粒度越细、越小越好。

swap或者exchange这两个指令，都是以一条汇编的方式将内存和CPU寄存器区数据进行交换，如果我们在汇编的角度时，只有一条汇编语句，我们就认为该汇编语句的执行是原子的，也就是一条汇编指令就是原子的。

在执行流的视角，是如何看待CPU上面的寄存器呢？

CPU内部的寄存器本质上叫做当前执行流的上下文，寄存器们的空间是被所有的执行流共享的，但是寄存的内容，是被每一个执行流私有的，在被换走的时候上下文数据也会被带走，如下图在A把自己里面的值和寄存器里面的值进行交换，这时就是如第二图就是A里面是1，寄存器里面就是0了，所以当加锁上了，CPU里面的数据变成了0，这时被换下去了，但是A也会把自己的上下文带走，也就是寄存器里面时由1变成0了，所以当B想声请加锁的时候，但是和CPU里面数据交换了，但是CPU里面的数据这时是0，但是交换了也是0，又因为B里面还是0，所以没法进锁内，所只能等A把锁接了，并且和cpu交换了。这个就是加锁保护。

这里介绍几个函数

1、pthread_mutex_init这个就是和下面的全局的用法一样，不过是局部的

2、pthread_mutex_t这个就是全局的加锁，这个就是原生线程库提供的一个数据类型

3、pthread_mutex_lock这个就是加锁，任何时刻只能有一个线程可以取得所的钥匙，这个就是串行的方式

4、pthread_mutex_unlock这个就是解锁的函数

加锁和解锁之间的代码称之为临界区，而线程共同访问的全局变量就称之为临界资源

这里如下方代码所示演示的，就是利用加锁把买票的代码进行了包装，所以这个结果如图就可以看出不会抢票抢到了-1，就是正常的抢票了

#include <iostream>
#include <thread>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include <cassert>
#include <cstdio>

using namespace std;

int tickets = 10000; // 临界资源

#define THREAD_NUM 800

class ThreadData
{
public:
    ThreadData(const std::string &n,pthread_mutex_t *pm):tname(n), pmtx(pm)
    {}
public:
    std::string tname;
    pthread_mutex_t *pmtx;
};

void *getTickets(void *args)
{
    // int myerrno = errno;
    ThreadData *td = (ThreadData*)args;
    while(true)
    {
        // 抢票逻辑
        int n = pthread_mutex_lock(td->pmtx);
        assert(n == 0);
        // 临界区
        if(tickets > 0) // 1. 判断的本质也是计算的一种
        {
            usleep(rand()%1500);
            printf("%s: %d\n", td->tname.c_str(), tickets);
            tickets--; // 2. 也可能出现问题
            n = pthread_mutex_unlock(td->pmtx);
            assert(n == 0);
        }
        else{
            n = pthread_mutex_unlock(td->pmtx);
            assert(n == 0);
            break;
        }
        
        // 抢完票，其实还需要后续的动作
        usleep(rand()%2000);
        //  errno = myerrno;
    }
    delete td;
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_mutex_t mtx;
    pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);

    srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 0x147);
    pthread_t t[THREAD_NUM];
    // 多线程抢票的逻辑
    for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
    {
        std::string name = "thread ";
        name += std::to_string(i+1);
        ThreadData *td = new ThreadData(name, &mtx);
        pthread_create(t + i, nullptr, getTickets, (void*)td);
    }

    for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
    {
        pthread_join(t[i], nullptr);
    }
    pthread_mutex_destroy(&mtx);
}

下面就是我总结的一些小问题

1、如果多线程访问同一个全局变量，并对它进行数据计算，多线程会互相影响吗？

2、加锁保护：加锁的时候，一定要保证加锁的粒度，越小越好！！

3、pthread_mutex_t 就是原生线程库提供的一个数据类型

4、加锁就是串行执行了吗？加锁了之后，线程在临界区中，是否会切换，会有问题吗？原子性的体现加锁了之后，线程在临界区中，是否会切换，会有问题吗?会切换，不会！第一次理解：虽然被切换了，但是你是持有锁被切换的, 所以其他抢票线程要执行临界区代码，也必须先申请锁，锁它是无法申请成功的，所以，也不会让其他线程进入临界区，就保证了临界区中数据一致性！

5、我是一个线程，我不申请锁，就是单纯的访问临界资源！-- 错误的编码方式

6、在没有持有锁的线程看来，对我最有意义的情况只有两种：

线程1没有持有锁(什么都没做)
线程1释放锁(做完)，此时我可以申请锁！

7、加锁就是串行执行了吗？是的，执行临界区代码一定是串行的！

8、要访问临界资源，每一个线程都必须现申请锁，每一个线程都必须先看到同一把锁&&访问它，锁本身是不是就是一种共享资源？

9、谁来保证锁的安全呢？？所以，为了保证锁的安全，申请和释放锁，必须是原子的！！！