线程同步66666

1. 概述

当有多个线程访问同一个共享资源（临界资源）时，且不允许同时访问，那么就需要线程同步。
常见的线程同步方式：互斥锁、读写锁、条件变量、信号量。

2. 互斥锁

互斥锁的方式可以简单概括为：锁定操作临界资源的代码片段，锁定后每次只能由一个线程来进行操作。这样能够解决多个线程同时访问临界资源造成的数据混乱，但是降低了执行效率（因为并行操作变成了串行操作）。

【1】互斥锁类型：pthread_mutex_t。创建一个该类型的变量就得到一把互斥锁。该变量中保存了锁的状态（打开还是锁定），若为锁定则保存了加锁的线程ID。锁定时其他线程将会阻塞，直到这个互斥锁被打开。

以下函数的返回值：成功返回0，失败返回错误号。

【2】初始化互斥锁：

//restrict：是一个修饰指针的关键字，该关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址，其他指针不行
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
                        const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
//mutex: 互斥锁地址
//attr: 互斥锁属性，一般为NULL默认属性

【3】释放互斥锁资源：

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

【4】加锁（阻塞）：

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
//若锁是打开的，那么加锁成功，锁会记录线程ID。
//若锁是锁定的，那么加锁失败，线程阻塞在此，直到上一个线程解锁。

【5】加锁（非阻塞）：

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
//若加锁失败，则不会阻塞，而是直接返回错误号。

【6】解锁：

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
//解锁还需加锁人，哪个线程加的锁就得哪个线程来解锁。

程序实例：创建两个子线程对全局变量number进行+1操作。若不使用互斥锁，就会造成数据混乱。使用了互斥锁，运行正常。

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

pthread_mutex_t mutex;  //全局的互斥锁
int number = 0;         //全局变量

//线程t1执行函数
void* funA(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        int cur = number;
        cur++;
        usleep(10);
        number = cur;
        printf("线程1的ID: %ld, number: %d\n", pthread_self(), number);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

//线程t2执行函数
void* funB(void *arg)
{
    for (int i = 0; i < 50; i++) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        int cur = number;
        cur++;
        number = cur;
        printf("线程2的ID: %ld, number: %d\n", pthread_self(), number);
        usleep(5);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
    return NULL;
}

//主函数
int main(int argc, char **argv)
{
    /* 初始化互斥锁 */
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    /* 创建两个子线程 */
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, funA, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, funB, NULL);

    /* 阻塞回收两个子线程*/
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    /* 销毁互斥锁 */
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

3. 死锁

互斥锁若使用不当，就会造成死锁。一旦多线程造成死锁，就会使得所有线程处于阻塞状态，且无法解除。
常见的死锁场景：①加锁后忘记解锁；②重复加锁；③存在多个共享资源，随意加锁。
避免死锁：①多检查代码；②对共享资源访问完毕后解锁，或者在加锁时使用trylock非阻塞；③引入一些专门用于死锁检测的模块；④如果程序中有多把锁, 可以控制对锁的访问顺序。另外，在加其它锁之前先释放拥有的互斥锁。

4. 自旋锁

【1】介绍：

自旋锁与互斥锁类似，但是自旋锁在试图上锁时是不断“自旋”查看锁是否被释放，CPU资源占用多。因此，使用自旋锁的效率不高，在用户程序中很少使用自旋锁，更多的是在内核中使用、针对执行时间少的代码。
互斥锁是基于自旋锁实现的，所以自旋锁更加底层。

【2】自旋锁类型：pthread_spinlock_t。创建一个该类型的变量就得到一把自旋锁。

以下函数的返回值：成功返回0，失败返回错误号。

【3】初始化/销毁自旋锁：

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);//初始化
//lock: 自旋锁的地址
//pshared: 表示自旋锁的进程共享属性
    //PTHREAD_PROCESS_SHARED: 共享自旋锁。该自旋锁可以在多个进程中的线程之间共享
    //PTHREAD_PROCESS_PRIVATE： 私有自旋锁。只有本进程内的线程才能够使用该自旋锁

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);//销毁

【4】自旋锁的加锁和解锁：

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);     //加锁（一直自旋）
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);  //加锁（返回错误，错误码EBUSY）
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);   //解锁

程序实例：创建两个子线程来对全局变量+1（每个线程循环10000次）。

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

int count = 0;//全局变量（临界区资源）
pthread_spinlock_t locker;//自旋锁

/* 线程执行函数 */
void* doing(void* arg)
{
    for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
        //自旋锁加锁
        pthread_spin_lock(&locker);
        //操作临界区资源
        int tmp = count;
        tmp++;
        count = tmp;
        //自旋锁解锁
        pthread_spin_unlock(&locker);
    }
    return NULL;
}

/* 主函数 */
int main(int argc, char** argv)
{
    //初始化自旋锁
    pthread_spin_init(&locker, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);

    //创建两个子线程
    pthread_t tid[2];
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        if (pthread_create(&tid[i], NULL, doing, NULL)) {
            perror("pthread_create error");
            exit(-1);
        }
    }

    //阻塞回收子线程
    for (int i = 0; i < 2; ++i) {
        if (pthread_join(tid[i], NULL)) {
            perror("pthread_join error");
            exit(-1);
        }
    }

    //打印全局变量
    printf("count = %d\n", count);

    //销毁自旋锁
    pthread_spin_destroy(&locker);
    return 0; 
}

5. 读写锁

读写锁可以视为互斥锁的升级版，可以指定锁定的是读操作还是写操作，且同一时间内只能锁定其中一个操作。读写锁的使用方式与互斥锁相同。

【1】读写锁类型：pthread_rwlock_t。创建一个该类型的变量就得到一把读写锁。读写锁中保存了以下信息：①锁的状态（打开还是锁定）；②锁的是哪个操作（读/写）；③哪个线程锁定了这把锁。

【2】读写锁特点：

使用读写锁的读锁锁定了临界区，那么读操作是并行的。
使用读写锁的写锁锁定了临界区，那么写操作是串行的。
使用读写锁的读锁和写锁分别锁定了两个临界区，那么访问写锁的线程优先进入。因为写锁的优先级高于读锁。

以下函数的返回值：成功返回0，失败返回错误号。

【3】初始化读写锁：

//restrict：是一个修饰指针的关键字，该关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址，其他指针不行
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
           const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
//rwlock: 读写锁地址
//attr: 读写锁属性，一般为NULL默认属性

【3】释放读写锁资源：

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

【4】锁定读操作（阻塞）：

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开，那么锁定读操作成功。
//若读写锁中读锁锁定，那么锁定读操作成功。因为读锁是共享的。
//若读写锁中写锁锁定，那么会阻塞。

【5】锁定读操作（非阻塞）：

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开，那么锁定读操作成功。
//若读写锁中读锁锁定，那么锁定读操作成功。因为读锁是共享的。
//若读写锁中写锁锁定，那么会返回错误号，而不会阻塞。

【6】锁定写操作（阻塞）：

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开，锁定写操作成功。
//若读写锁中读锁或写锁锁定了，那么就会阻塞。

【7】锁定写操作（非阻塞）：

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//若读写锁均打开，锁定写操作成功。
//若读写锁中读锁或写锁锁定了，那么返回错误号，而不会阻塞。

【8】解锁：

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//不管锁定的是读锁还是写锁，都能解锁。

程序实例：创建3个子线程进行写操作，创建5个子线程进行读操作。它们都针对一个全局变量。


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

int number = 0;             //全局变量（临界资源）
pthread_rwlock_t rwlocker;  //全局的读写锁

/* 写线程执行函数 */
void* writeNum(void *arg)
{
    while (1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlocker);
        int cur = number;
        cur++;
        number = cur;
        printf("写操作完毕！number = %d, tid: %ld\n", number, pthread_self());
        pthread_rwlock_unlock(&rwlocker);
        usleep(rand() % 100);//让子线程交替写
    }
    return NULL;
}

/* 读线程执行函数 */
void* readNum(void *arg)
{
    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlocker);
        printf("读操作完毕！number = %d, tid: %ld\n", number, pthread_self());
        pthread_rwlock_unlock(&rwlocker);
        usleep(rand() % 100);
    }
    return NULL;
}

/* 主函数 */
int main(int argc, char **argv)
{
    //初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlocker, NULL);

    //创建8个线程，3个为写线程，5个为读线程
    pthread_t wtid[3];
    pthread_t rtid[5];
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&wtid[i], NULL, writeNum, NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&rtid[i], NULL, readNum, NULL);
    }

    //主线程回收8个线程
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_join(wtid[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(rtid[i], NULL);
    }

    //释放读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlocker);
    return 0;
}

6. 条件变量

条件变量的作用是进行线程的阻塞，而不是线程同步。当满足某个特定条件时才会阻塞线程。一般用于生产者-消费者模型，且和互斥锁相互配合。

【1】条件变量类型：pthread_cond_t。被条件变量阻塞的线程的信息会被记录到该类型的变量中，以便在解除阻塞时使用。

【2】初始化条件变量：

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,
      const pthread_condattr_t *restrict attr);
//cond：条件变量的地址
//attr：条件变量的属性，一般为NULL。

【3】释放条件变量资源：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

【4】阻塞线程：

// 线程阻塞函数, 哪个线程调用这个函数, 哪个线程就会被阻塞
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

//mutex是互斥锁，用于线程同步。
//当阻塞线程时，若线程已经对互斥锁mutex上锁，那么会将这把锁打开，这样做是为了避免死锁
//当线程解除阻塞时，函数内部会帮助这个线程再次将这个mutex锁上，继续向下访问临界区

【5】阻塞线程（时间到解除）：

// 将线程阻塞一定的时间长度, 时间到达之后, 线程就解除阻塞了
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,
           pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

// 以下结构体表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {
	time_t tv_sec;      /* Seconds */
	long   tv_nsec;     /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};

//使用示例
time_t mytim = time(NULL);	// 1970.1.1 0:0:0 到当前的总秒数
struct timespec tmsp;
tmsp.tv_nsec = 0;
tmsp.tv_sec = time(NULL) + 100;	// 线程阻塞100s

【6】解除阻塞（至少一个线程）：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

【7】解除阻塞（全部线程）：

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生产者-消费者模型：

①若干个生产者线程：生产商品放入任务队列中，若任务队列满则阻塞，可以使用一个生产者条件变量来控制是否阻塞。

②若干个消费者线程：消费者从任务队列中拿走商品，若任务队列空则阻塞，可以使用一个消费者条件变量来控制是否阻塞。

③任务队列：可以是数组、链表、stl容器等等。

程序实例：使用条件变量实现生产者-消费者模型，生产者线程有5个，往链表头部添加节点；消费者线程也有5个，删除链表头部节点。

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

/* 单链表定义 */
typedef struct LNode {
    int number;
    struct LNode *next;
} LNode;

/* 全局变量及锁 */
pthread_mutex_t mutex;  //互斥锁
pthread_cond_t cond;    //条件变量
LNode *head = NULL;     //临界资源，单链表

/* 生产者执行函数 */
void* produce(void *arg)
{
    while (1) {
        //生产商品，往链表头部添加节点
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        LNode *tmp = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));//创建新节点
        tmp->number = rand() % 100;
        tmp->next = head;
        head = tmp;
        printf("生产完毕! 新节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        //通知消费者拿走商品
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        sleep(rand() % 3);//生产慢一点
    }
    return NULL;
}

/* 消费者执行函数 */
void* consume(void *arg)
{
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //无商品则等待
        //这里不能用if，可能出现段错误，如下场景：
        //假设消费者线程1进入后阻塞，然后切换到生产者线程，解除其阻塞
        //然后切换到消费者线程2拿走了商品，此时链表又是空。
        //接着，切换回消费者线程1，由于if之前已经判定过了，这里直接进行后续操作，
        //从而出现段错误。因此通过while循环判断，当阻塞解除后也会再次判断。
        while (head == NULL) {
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        //拿走商品，删除链表头部节点
        LNode *tmp = head;
        printf("消费完毕! 节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self());
        head = head->next;
        free(tmp);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

/* 主函数 */
int main(int argc, char **argv)
{
    //初始化锁和条件变量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    //创建5个生产者线程和5个消费者线程
    pthread_t ptid[5];
    pthread_t ctid[5];
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptid[i], NULL, produce, NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ctid[i], NULL, consume, NULL);
    }

    //主线程回收10个线程
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(ptid[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(ctid[i], NULL);
    }

    //释放互斥锁和条件变量
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    return 0;
}

7. 信号量

信号量（信号灯）用在多线程的多任务同步中，一个线程完成了某个任务就通过信号量告诉其它线程，其它线程再进行相关操作。信号量也是用于阻塞线程，要保证线程安全，需要信号量与互斥锁一起使用。

【1】信号量类型：sem_t。需要添加头文件<semaphore.h>.

【2】初始化信号量：

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
//sem: 信号量地址
//pshared: 0表示线程同步，非0表示进程同步
//value: 初始化当前信号量拥有的资源数>=0, 若资源数为0则阻塞

【3】释放信号量资源：

int sem_destroy(sem_t *sem);
//sem: 信号量地址

【4】消耗资源函数（阻塞）：

//sem: 信号量地址
//函数被调用，sem中的资源就会被消耗1个
//当资源数为0时，线程就会阻塞
int sem_wait(sem_t *sem);

【5】消耗资源函数（非阻塞）：

//sem: 信号量地址
//函数被调用，sem中的资源就会被消耗1个
//当资源数为0时，线程就会返回错误号，而不会阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem);

【6】时间到解除阻塞：

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
//sem: 信号量地址
//abs_timeout: 与pthread_cond_timedwait中的参数一样

【7】增加资源函数：

//给sem中的资源数+1
//若资源数从0加到1，那么阻塞的线程就会解除阻塞
int sem_post(sem_t *sem);

【8】查看资源数：

//查看信号量sem中的整形数值, 这个值会被写到sval指针对应的内存中
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

程序实例：使用信号量实现生产者-消费者模型，生产者线程有5个，往链表头部添加节点；消费者线程也有5个，删除链表头部节点。同时，限定了平台容纳商品的最大容量为6个。我们可以设置两个信号量，分别来代表生产者线程生产的商品数量、平台中现有的商品数量（用于给消费者线程拿走）。

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

/* 单链表节点声明 */
typedef struct LNode{
    int number;
    struct LNode *next;
} LNode;

/* 全局变量 */
sem_t psem; //生产者生产商品的信号量
sem_t csem; //消费者拿走时的信号量
pthread_mutex_t mutex;  //互斥锁
LNode *head = NULL;     //单链表（临界区资源）

/* 生产者线程执行函数 */
void* produce(void *arg)
{
    while (1) {
        //生产者信号量-1
        sem_wait(&psem);
        //生产者生产商品
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        LNode *tmp = (LNode*)malloc(sizeof(LNode));
        tmp->number = rand() % 100;
        tmp->next = head;
        head = tmp;
        printf("生产完毕！新节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        //消费者信号量+1
        sem_post(&csem);
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

/* 消费者线程执行函数 */
void* consume(void *arg)
{
    while (1) {
        //消费者信号量-1
        sem_wait(&csem);
        //消费者拿走商品
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        LNode *tmp = head;
        head = head->next;
        printf("消费完毕！节点number: %d, 线程ID: %ld\n", tmp->number, pthread_self());
        free(tmp);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        //生产者信号量+1
        sem_post(&psem);
        sleep(rand() % 3);
    }
    return NULL;
}

/* 主函数 */
int main(int argc, char **argv)
{
    //初始化信号量和互斥锁
    sem_init(&psem, 0, 6);//平台最多容纳的商品数
    sem_init(&csem, 0, 0);//平台最初没有商品
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    //创建5个生产者线程，5个消费者线程
    pthread_t ptid[5];
    pthread_t ctid[5];
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptid[i], NULL, produce, NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ctid[i], NULL, consume, NULL);
    }

    //释放线程资源
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(ptid[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(ctid[i], NULL);
    }

    //释放其它资源
    sem_destroy(&psem);
    sem_destroy(&csem);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}