Linux线程（二）线程互斥

news2024/12/27 10:53:11

目录

一、为什么需要线程互斥

二、线程互斥的必要性

三、票务问题举例（多个线程并发的操作共享变量引发问题）

四、互斥锁的用法

1.互斥锁的原理

2、互斥锁的使用

1、初始化互斥锁

2、加锁和解锁

3、销毁互斥锁（动态分配时需要）

五、使用互斥锁改进票务问题

六、可重入与线程安全

 1、可重入（Reentrant）

2、线程安全（Thread Safety）

上篇文章我们讲解了线程的概念以及线程的基本操作：
Linux线程（一）初识线程

这篇文章我们来讲解一下线程互斥的内容。

一、为什么需要线程互斥

        当多个线程试图同时修改同一份数据时，可能会导致数据不一致、竞态条件等问题。

当两个或多个线程同时访问和修改同一个共享资源时，如果没有适当的同步控制，可能会导致数据处于不一致的状态。例如，一个线程正在读取某个变量的同时，另一个线程可能正在修改这个变量，最终结果可能既不是原始值也不是任何一个线程期望修改后的值，造成不可预料的行为。（后面会举例说明）

所以就引出了线程互斥 ：
在Linux系统中，线程互斥是一种确保多个线程在访问共享资源时不会产生冲突的机制。这是通过使用互斥锁（Mutex）来实现的，它是防止并发执行线程同时进入临界区（即访问共享资源的代码段）的一种同步原语。

二、线程互斥的必要性

线程互斥是确保多线程环境下程序正确性、稳定性和可预测性的关键手段，通过限制对共享资源的同时访问，避免了并发执行可能引发的各种问题：

避免数据竞争（Data Race）：当两个或多个线程同时访问和修改同一个共享资源时，如果没有适当的同步控制，可能会导致数据处于不一致的状态。例如，一个线程正在读取某个变量的同时，另一个线程可能正在修改这个变量，最终结果可能既不是原始值也不是任何一个线程期望修改后的值，造成不可预料的行为。

确保数据一致性：互斥机制确保了在任何时候，最多只有一个线程可以修改共享资源。这样可以保证每次对共享数据的修改都是完整且原子的，从而维护了数据的一致性。

预防竞态条件（Race Condition）：竞态条件是指程序的输出依赖于非确定性的线程执行顺序。没有互斥锁，即使程序逻辑正确，由于线程调度的不确定性，也可能导致错误的结果。比如经典的“票务问题”，如果不使用互斥锁，多个线程同时减去票数可能会导致卖出超过实际存在的票数。

实现同步点：除了防止并发访问带来的问题，互斥锁还可以作为线程间的同步工具，用于控制线程执行的顺序。例如，一个线程可能需要等待另一个线程完成特定任务后才能继续执行。

保护资源的完整性：某些资源（如文件、数据库连接、硬件设备等）可能不支持同时访问，或者同时访问会导致错误或损坏。互斥锁确保这些资源在被一个线程使用时，其他线程不能访问，从而保护了资源的完整性。

三、票务问题举例（多个线程并发的操作共享变量引发问题）

我们来看以下代码，多个线程访问一个全局变量ticket来模拟抢票，ticket就是共享变量：

#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(1);
            printf("%s sells ticket:%d\n",id,ticket);
            ticket--;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

int main()
{
    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);
    return 0;
}

运行后发现

 

票数竟然出现了0和-1，显然是不符合预期的。

每个线程在检查ticket变量是否大于1后，直接进行减操作和打印，没有确保在这两个操作之间没有其他线程也进行了同样的检查和操作。这导致了多个线程可能几乎同时判断ticket大于1，并都执行减1操作，造成票数卖超的错误。

多个线程直接读写共享变量ticket而没有加锁保护，这违反了线程安全原则。当一个线程正在读取ticket的值时，另一个线程可能正在修改它，导致读取到的是不一致或中间状态的数据。

-- 操作并不是原子操作，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
可能同时有几个线程判断了ticket>0,并进行了ticket--操作，但是这个时候ticket的值已经被其他线程修改，这个时候就造成了共享变量的数据错误。
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

解决这些问题的关键是在访问共享资源（这里是ticket变量）之前使用互斥锁（Mutex），确保同一时间只有一个线程能执行临界区内的代码，从而避免了数据竞争和竞态条件，确保了线程安全。 

四、互斥锁的用法

1.互斥锁的原理

加锁（Lock）：当一个线程想要进入临界区时，它会尝试获取互斥锁。如果锁未被其他线程持有，该线程将成功获取锁并进入临界区。

解锁（Unlock）：完成对共享资源的操作后，线程会释放互斥锁，允许其他等待中的线程有机会获取锁并访问资源。

2、互斥锁的使用

在Linux中，使用POSIX线程库（pthread）来处理线程和互斥锁。以下是基本的使用步骤：

1、初始化互斥锁

静态初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
动态初始化：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
参数：
mutex：要初始化的互斥量
attr：NULL

2、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(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

3、销毁互斥锁（动态分配时需要）

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 
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

五、使用互斥锁改进票务问题

通过在访问和修改ticket变量前后分别调用pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()，确保了在任何时刻只有一个线程能进行售票操作，从而解决了线程间的数据竞争问题，保证了票数的准确减少，避免了超卖现象。

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket=100;
pthread_mutex_t mutex;
void *route(void* arg)
{
    char *id=(char*)arg;
    while(1)
    {
        // 在访问共享资源前加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n",id,ticket);
            ticket--;
        }
        else
        {
            // 释放锁并跳出循环
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
   // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    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);

    // 最后记得销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

运行后发现保证了票数的准确减少，避免了超卖现象。

经过上面的例子，大家已经意识到单纯的 i++ 或者 ++i 都不是原子的，有可能会有数据一致性问题
为了实现互斥锁操作 , 大多数体系结构都提供了 swap 或 exchange 指令 , 该指令的作用是把寄存器和内存单元的数据相交换, 由于只有一条指令 , 保证了原子性 , 即使是多处理器平台 , 访问内存的 总线周期也有先后 , 一个处理器上的交换指令执行时另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。 

六、可重入与线程安全

 1、可重入（Reentrant）

定义：可重入指的是一个函数或一段代码可以在任意时刻被中断，然后再次进入并正确执行，即使在之前调用还未完成的情况下也是如此。对于可重入代码，最重要的是它的内部状态不会因多次调用而受损，且不依赖于外部状态或存储。

特点：

  • 不使用静态或全局变量存储状态信息。
  • 不使用用malloc或者new开辟出的空间
  • 如果必须使用全局数据，那么这些数据必须是只读的或能以线程安全的方式修改。
  • 函数不依赖于任何外部资源的状态，或能确保外部资源访问的线程安全性。
  • 递归调用是可重入的一个特例。

2、线程安全（Thread Safety）

定义：线程安全指多个线程同时访问（包括读取和写入）同一段代码或数据时，仍然能够保持正确的执行结果，不会引发数据不一致、崩溃或其他未定义行为。这意味着代码需要采取适当的同步措施（如互斥锁、信号量等）来防止数据竞争和竞态条件。

特点：

  • 通过同步机制确保共享资源的访问是互斥的，防止数据竞争。
  • 可能通过加锁机制来实现，但这也会引入潜在的死锁和性能开销。
  • 线程安全的代码在多线程环境下不需要外部干预即可安全运行。

关系：

  • 交集：可重入代码通常是线程安全的，因为它不依赖于全局状态，减少了并发访问的冲突点。
  • 区别：并非所有线程安全的代码都是可重入的。例如，一个使用了锁来保护共享资源的函数，虽然线程安全（因为一次只有一个线程可以修改资源），但如果在锁内调用自己（递归调用），可能会导致死锁，因此不是可重入的。

本文来自互联网用户投稿，该文观点仅代表作者本人，不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如若转载，请注明出处：http://www.coloradmin.cn/o/1664805.html

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符，请联系多彩编程网进行投诉反馈，一经查实，立即删除！

相关文章

程序员代码面试指南题目解析（一）

程序员代码面试指南题目解析（一）

题目一&#xff1a;如何仅用递归函数和栈操作逆序一个栈 题目要求&#xff1a; 一个栈依次压入 1、2、3、4、5&#xff0c;那么从栈顶到栈底分别为5、4、3、2、1。将这个栈 转置后&#xff0c;从栈顶到栈底为 1、2、3、4、5&#xff0c;也就是实现栈中元素的逆序&#xff0c;但…
阅读更多...
JUC下的BlockingQueue详解

JUC下的BlockingQueue详解

BlockingQueue是Java并发包(java.util.concurrent)中提供的一个接口&#xff0c;它扩展了Queue接口&#xff0c;增加了阻塞功能。这意味着当队列满时尝试入队操作&#xff0c;或者队列空时尝试出队操作&#xff0c;线程会进入等待状态&#xff0c;直到队列状态允许操作继续。这…
阅读更多...
【Python系列】Python中列表属性提取

【Python系列】Python中列表属性提取

&#x1f49d;&#x1f49d;&#x1f49d;欢迎来到我的博客&#xff0c;很高兴能够在这里和您见面&#xff01;希望您在这里可以感受到一份轻松愉快的氛围&#xff0c;不仅可以获得有趣的内容和知识&#xff0c;也可以畅所欲言、分享您的想法和见解。 推荐:kwan 的首页,持续学…
阅读更多...
AI菜鸟向前飞 — 大模型基础知识篇

AI菜鸟向前飞 — 大模型基础知识篇

前言 主要介绍最最基础的知识&#xff0c;在这个基础上有现在比较流行的GPT、Llama、Gemini**等一系列大模型的出现&#xff0c;打好基础才能更理解上面是如何运作以及实现的过程。 PS&#xff1a;本篇科普不会介绍梯度下降算法&#xff08;偏导数&#xff09;等复杂的过程&a…
阅读更多...
巨坑啊！ before-upload返回false 会执行on-remove

巨坑啊！ before-upload返回false 会执行on-remove

通过对on-remove对应参数的打印&#xff0c;发现回调中的file参数有个status&#xff0c;若是是在before-upload中就被过滤了&#xff0c;就是ready&#xff0c;若是已经上传成功了去点击删除&#xff0c;status是success&#xff0c;就他了。 onRemove(file,fileList){if(file…
阅读更多...
redis的双写一致性

redis的双写一致性

双写一致性问题 1.先删除缓存或者先修改数据库都可能出现脏数据。 2.删除两次缓存&#xff0c;可以在一定程度上降低脏数据的出现。 3.延时是因为数据库一般采用主从分离&#xff0c;读写分离。延迟一会是让主节点把数据同步到从节点。 1.读写锁保证数据的强一致性 因为一般放…
阅读更多...
Redis——缓存雪崩、缓存穿透、缓存击穿

Redis——缓存雪崩、缓存穿透、缓存击穿

在项目中&#xff0c;通常会使用数据库比如 MySQL 存储应用数据&#xff0c;但是当数据太多之后&#xff0c;比如多了几十万条或上百万条的商品信息&#xff0c;这个时候查询商品数据的速度会很慢&#xff0c;影响用户体验。此时一般我们会选择将部分商品信息缓存起来&#xff…
阅读更多...
【Rollup】用rollup从0到1开发一个js插件并发布到npm

【Rollup】用rollup从0到1开发一个js插件并发布到npm

Rollup 是一个 JavaScript 模块打包器&#xff0c;专注于打包 ES6 模块将其编译回多种模块化格式&#xff0c;尤其适合打包库和框架&#xff0c;因为它可以生成更小、更高效的代码&#xff0c;并且特别适合将代码打包成可在浏览器中使用的库。 从0到1开发js插件 1.创建文件夹…
阅读更多...
2.前端路由的配置和使用

2.前端路由的配置和使用

一&#xff0c;路由的作用 路由的作用就是将页面文件跟URL地址形成对应匹配 二&#xff0c;如何安装路由 这里我们采用pnpm的方式在项目中执行 pnpm install vue-routernext --save三&#xff0c;路由如何使用 首先创建一个我们需要访问的页面文件&#xff0c;这里我先创建…
阅读更多...
机器学习：葡萄酒品质预测

机器学习：葡萄酒品质预测

说明&#xff0c;此项目是我的期末大作业&#xff0c;包括了对数据集探索&#xff0c;预处理以及分类的各个详细过程与描述&#xff0c;代码简单&#xff0c;主要是一个分类项目的流程&#xff0c;并没有对模型进行深度研究&#xff0c;因此我写在这里。 目录 一、问题介绍 …
阅读更多...
ETL工具kettle(PDI)入门教程，Job

ETL工具kettle(PDI)入门教程，Job

先新建两个Transform&#xff0c;MysqlToMysql.ktr和CsvToExcel.ktrURL&#xff1a;ETL工具kettle入门教程&#xff0c;transform&#xff0c;Mysql-&#xff1e;Mysql&#xff0c;Csv-&#xff1e;Excel-CSDN博客 主对象树&#xff0c;作业上右击&#xff0c;点击新建 核心对…
阅读更多...
Unity引擎是什么？有哪些优点

Unity引擎是什么？有哪些优点

大家好&#xff0c;我是咕噜土豆&#xff0c;很高兴又和大家见面了。今天我们一起来了解一下Unity引擎和它有哪些优点。 首先带大家了解什么是Unity引擎 Unity引擎是一款由Unity Technologies开发的跨平台游戏开发引擎&#xff0c;广泛用于创建2D和3D游戏以及其他交互式内容&…
阅读更多...
uniapp管理后台编写，基于uniadmin和vue3实现uniapp小程序的管理后台

uniapp管理后台编写，基于uniadmin和vue3实现uniapp小程序的管理后台

一&#xff0c;创建uniAdmin项目 打开开发者工具Hbuilder,然后点击左上角的文件&#xff0c;点新建&#xff0c;点项目。如下图。 选择uniadmin&#xff0c;编写项目名&#xff0c;然后使用vue3 记得选用阿里云服务器&#xff0c;因为最便宜 点击创建&#xff0c;等待项目创…
阅读更多...
AI跟踪报道第41期-新加坡内哥谈技术-本周AI新闻：本周Al新闻: 准备好了吗？事情即将変得瘋狂

AI跟踪报道第41期-新加坡内哥谈技术-本周AI新闻：本周Al新闻: 准备好了吗？事情即将変得瘋狂

每周跟踪AI热点新闻动向和震撼发展 想要探索生成式人工智能的前沿进展吗&#xff1f;订阅我们的简报&#xff0c;深入解析最新的技术突破、实际应用案例和未来的趋势。与全球数同行一同&#xff0c;从行业内部的深度分析和实用指南中受益。不要错过这个机会&#xff0c;成为AI领…
阅读更多...
在Spring Boot应用安装SSL证书

在Spring Boot应用安装SSL证书

目录 前提条件 步骤一&#xff1a;下载SSL证书 步骤二&#xff1a;在Spring Boot安装SSL证书 步骤三&#xff1a;验证SSL证书是否安装成功 前提条件 已通过数字证书管理服务控制台签发证书SSL证书绑定的域名已完成DNS解析&#xff0c;即您的域名与主机IP地址相互映射已在W…
阅读更多...
ASP.NET学生信息管理系统

ASP.NET学生信息管理系统

摘 要 本文介绍了在ASP.net环境下采用“自上而下地总体规划&#xff0c;自下而上地应用开发”的策略开发一个管理信息系统的过程。通过分析某一学校学生管理的不足&#xff0c;创建了一套行之有效的计算机管理学生的方案。文章介绍了学生管理信息系统的系统分析部分&#xff0c…
阅读更多...
【C++ | 函数】默认参数、哑元参数、函数重载、内联函数

【C++ | 函数】默认参数、哑元参数、函数重载、内联函数

&#x1f601;博客主页&#x1f601;&#xff1a;&#x1f680;https://blog.csdn.net/wkd_007&#x1f680; &#x1f911;博客内容&#x1f911;&#xff1a;&#x1f36d;嵌入式开发、Linux、C语言、C、数据结构、音视频&#x1f36d; ⏰发布时间⏰&#xff1a;2024-05-04 1…
阅读更多...
Linux —— 信号（4）

Linux —— 信号（4）

Linux —— 信号&#xff08;4&#xff09; 信号的处理用户态和内核态 信号的捕捉sigaction sa_mask字段volatileSIGCHLD信号 我们今天接着来看信号&#xff1a; 信号的处理 信号的处理简单一句话就是在内核态处理的。 用户态和内核态 用户态和内核态是操作系统和计组中的概…
阅读更多...
MySQL系列之索引

MySQL系列之索引

&#x1f339;作者主页&#xff1a;青花锁 &#x1f339;简介&#xff1a;Java领域优质创作者&#x1f3c6;、Java微服务架构公号作者&#x1f604; &#x1f339;简历模板、学习资料、面试题库、技术互助 &#x1f339;文末获取联系方式 &#x1f4dd; 往期热门专栏回顾 专栏…
阅读更多...
【声呐仿真】学习记录2-运行ROV（带camera、sonar、dvl等传感器）例程

【声呐仿真】学习记录2-运行ROV（带camera、sonar、dvl等传感器）例程

【声呐仿真】学习记录2-运行ROV&#xff08;带camera、sonar、dvl等传感器&#xff09;例程 前言第一阶段-学习Gazebo第二阶段-学习URDF、xacro第三阶段-寻找例程跑一个rexrov示例程序1.uuvsimulator quick_start2.能键盘控制的示例程序&#xff08;失败&#xff09;3.能键盘控…
阅读更多...
推荐文章
最新文章

Copyright @ 2022~2023