【Linux取经路】线程安全和死锁

news2024/12/27 13:28:02

文章目录

一、线程安全
- 1.1 常见的线程不安全情况
- 1.2 常见的线程安全情况
- 1.3 常见的不可重入情况
- 1.4 常见可重入的情况
- 1.5 可重入与线程安全的联系
- 1.6 可重入与线程安全的区别
二、死锁
- 2.1 死锁的四个必要条件
- 2.2 如何避免产生死锁？
三、结语

在这里插入图片描述

一、线程安全

线程安全：多个线程并发访问同一段代码时，不会出现问题，就叫做线程安全。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会发生线程安全问题。
重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前执行流还没有执行完，就有其它的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。我们所使用的大部分函数都是不可重入的。

只要一个函数是不可重入的，那么在多线程调用的时候可能会引发线程安全问题。

1.1 常见的线程不安全情况

不保护共享变量的函数
函数状态随着被调用，状态发生变化的函数
返回指向静态变量指针的函数
调用线程不安全函数的函数

1.2 常见的线程安全情况

每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安全的
类或者接口对于线程来说都是原子操作
多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性

1.3 常见的不可重入情况

调用了 malloc/new 函数，因为 mallco 函数里面是用全局链表来进行管理的
调用了标准 I/O 库函数，标准 I/O 库函数的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
函数体内使用了静态的数据结构

1.4 常见可重入的情况

不使用全局变量或静态变量
不使用 malloc 或者 new 开辟空间
不掉用不可重入函数
不返回静态或全局数据，所有数据都由函数的调用者来提供
使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

1.5 可重入与线程安全的联系

函数是可重入的，那就是线程安全的
函数是不可重入的，那在多线程的场景下，有可能会引发线程安全问题
如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的。

1.6 可重入与线程安全的区别

可重入函数是线程安全函数的一种
线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的
如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数就是线程安全的，但是如果忘记释放锁会导致死锁问题，该函数也是不可重入函数。

二、死锁

在使用锁的过程中，导致多线程代码不往后执行了，这就叫做死锁。一般导致死锁的原因是：各个线程均占有不会释放的资源，然后线程相互去申请被其它线程所占用的资源而处于永久等待的状态。这是产生死锁最普遍的情况。当然，还有其它情况，比如一个线程已经申请到了锁，在解锁之前又去申请锁，此时也会导致死锁。

一个线程连续申请锁导致的死锁问题：

void *GrabTickets(void *args)
{
    ThreaInfo *ti = static_cast<ThreaInfo*>(args);
    string name(ti->threadname_);
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if(tickets > 0)
        {
            usleep(10000);
            printf("%s get a ticket: %d\n", name.c_str(), tickets);
            tickets--;
            pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&lock);
            break;
        }
        usleep(13); // 用休眠来模拟抢到票的后续动作
        // pthread_mutex_unlock(ti->lock_); // 不能在这里解锁，因为 tickets == 0 的时候就直接跳出循环了，导致锁没有被释放，其它线程就会阻塞住
    }

    printf("%s quit...\n", name.c_str());
}

产生死锁的原因是，当第一个线程来的时候，第一次调用 pthread_mutex_lock(&lock) 成功申请到锁，此时内存空间中的1（锁）被交换到了第一个线程的上下文中，紧接着，第一个线程再次去调用 pthread_mutex_lock(&lock) 申请锁，在 3.3 小节展示的汇编代码中，申请锁的第一步是先把寄存器的值设置为0，而此时第一个线程这个寄存器里面放的是交换进来的1，设置成0以后，就导致 CPU 寄存器中、内存中，都没有1了，锁就这样凭空消失了。所以第一个线程在第二次去申请锁的时候就被挂起了，其它线程在第一次申请锁的时候就会被挂起，最终所有调用该函数的线程都会被挂起，这就是死锁。

一个线程申请到锁后，没有释放也会造成死锁

void *GrabTickets(void *args)
{
    ThreaInfo *ti = static_cast<ThreaInfo*>(args);
    string name(ti->threadname_);
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        pthread_mutex_lock(&lock);
        if(tickets > 0)
        {
            usleep(10000);
            printf("%s get a ticket: %d\n", name.c_str(), tickets);
            tickets--;
            // pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
        else
        {
            // pthread_mutex_unlock(&lock);
            break;
        }
        usleep(13); // 用休眠来模拟抢到票的后续动作
        // pthread_mutex_unlock(ti->lock_); // 不能在这里解锁，因为 tickets == 0 的时候就直接跳出循环了，导致锁没有被释放，其它线程就会阻塞住
    }

    printf("%s quit...\n", name.c_str());
}