目录

1. 死锁

解决死锁问题

2. 同步

2.1 条件变量函数 cond

2.2 条件变量的使用：

3.CP 问题--理论

4. 基于 BlockingQueue 的生产者消费者模型

1. 基本概念

2.BlockQueue.hpp

基本设置：

生产关系控制：

消费关系的控制

⭕思考点

test 函数：

进化执行 Task.hpp

3. 注意点

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1. 死锁

• 死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因互相申请被其他进程所占用不会释放的资源，而处于的一种永久等待状态。

死锁四个必要条件 (必须同时满足）

• 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用--前提
• 请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放--原则
• 不剥夺条件:一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺--原则
• 循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系--重要条件

解决死锁问题

理念：破坏四个必要条件--只需要一个不满足就可以的

方法：

• 加锁顺序一致

我们在申请锁的时候，A线程先申请A锁，在申请B锁，而B线程先申请B锁，在申请A锁，所以两个线程天然申请锁的顺序就是环状的。我们可以尽量不让线程出现这个环路情况，我们让两个线程申请锁的顺序保持一致，就可以破坏循环等待问题。两个线程都是先申请A锁在申请B锁。

• 避免锁未释放的场景

接口：pthread_mutex_trylock,失败了就会返回退出，释放锁

• 资源一次性分配

资源一次性分配，比如说你有一万行代码，有五处要申请锁，你可以最开始一次就给线程分配好，而不要把五处申请打散到代码各个区域里所导致加锁场景非常复杂

避免死锁算法

• 死锁检测算法(了解)
• 银行家算法（了解）

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2. 同步

同步！同步问题是保证数据安全的情况下，让我们的线程访问资源具有一定的顺序性

保证线程安全同步了，为什么还要设置锁？

注意前言和后果。排队是结果。例如突然新来了一个线程，被锁挡在了门外，才开始到后面排队的。

分配均衡的可以使用纯互斥，同步是解决分配不均衡问题的

1. 快速提出解决方案 条件变量

• 锁和铃铛（条件变量--布尔类型）都是一个结构体，OS 先描述再组织
• 条件变量必须依赖于锁的使用（条件就是被锁了，所以才加入等待队列）

条件变量

• 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它 什么也做不了。

• 例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个 节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

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2.1 条件变量函数 cond

条件变量就相当于是铃铛，和锁的设置非常的相似

• 初始化 – pthread_cond_init()

• • 静态分配:

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

• • 动态分配:

• • • 原型:

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

• • • 参数:

• • • • cond: 需要初始化的条件变量
      • attr: 初始化条件变量的属性，一般设置为 nullptr

• • • 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码

• 销毁 – pthread_cond_destroy()

• • 原型:

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

• • 参数:

• • • cond: 需要销毁的条件变量

• • 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码
  • 注意: 使用 PTHREAD_COND_INITIALIZER 初始化的条件变量不需要销毁

• 等待条件变量 – pthread_cond_wait()

• • 原型:

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

• • 参数:

• • • cond: 需要等待的条件变量
    • mutex: 当前线程所处临界区对应的互斥锁

• ⭕ （为什么要传这个锁变量呢？
• 1. pthread_cond_wait让线程等待的时候，会自动释放锁，将其加入到等待队列中，不用管临界资源的状态情况

• • 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码
  • 注意: wait 一定要在加锁和解锁之间进行！

• 唤醒等待

• • 唤醒全部线程 – pthread_cond_broadcast()

• • • 原型:

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

• • • 功能: 唤醒等待队列中的全部线程
    • 参数:

• • • • cond: 需要等待的条件变量

• • • 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码

• • 唤醒首个线程 – pthread_cond_signal()

• • • 原型:

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

• • • 功能: 唤醒等待队列中的首个线程
    • 参数:

• • • • cond: 需要等待的条件变量

• • • 返回值: 成功返回 0，失败返回错误码

测试：

错乱原因：多线程打印出现错乱，显示器是文件，看作一个共享资源

uint64 是什么？

一种跨平台的方式来表示至少 64 位的无符号整数

2.2 条件变量的使用：

原理图，以我们的单人自习室为例

对于线程的管理： 先所有都锁上，再依次唤醒，就实现了每个人进去执行一次，退出，下一个执行

 while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);              
        std::cout << "pthread: " << number << " ， cnt: " << cnt++ << std::endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
    for(uint64_t i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_t tid;
        pthread_create(&tid, nullptr, Count, (void*)i);
    }
    while(true) 
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_broadcast(&cond);
        std::cout << "signal one thread..." << std::endl;
    }

    return 0;
}

我们怎么知道我们要让一个线程去等待了？

一定是临界资源（自习室里面有人）不就绪，没错，临界资源也是有状态的！！

直接走人叫互斥，去后面排队叫同步

你怎么知道临界资源是就绪还是不就绪的？即怎么知道自习室里面有没有人

你判断出来的！判断是访问临界资源（自习室) 吗？必须是的，也就是判断必须在加锁之后！！！

所以等待的过程，一定要在加锁和解锁之间， pthread_cond_wait让线程等待的时候，会自动释放锁，将其加入到等待队列中

sum

• 等待条件满足的时候往往是在临界区内等待的

• • 当该线程进入等待的时候，互斥锁会自动释放
  • 而当该线程被唤醒时，又会自动获得对应的互斥锁

• 条件变量需要配合互斥锁使用，其中条件变量是用来完成同步的，而互斥锁是用来完成互斥的

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3.CP 问题--理论

生产者消费者模型（consumer producter)

存在超市的原因

• 效率高，中转站
• 大号的缓存，解决了忙闲不均。生产者视角：有多少存储空间，消费者：有多少商品数
• 让生产和消费的行为，进行一定程度的解耦

在计算机中，抽象出来

• 生产者：线程承担
• 超市：特定结构的内存空间->共享资源->存在并发问题
• 消费者：线程承担

将商品理解为数据，执行流在做通信

如何高效的通信

互斥是一个保证安全的手段

研究超市的并发 三种关系：

• 生产者 vs 生产者（竞争的互斥关系，只允许一个）
• 消费者 vs 消费者（互斥）
• 生产者 vs 消费者（互斥--安全，同步--一定的顺序性）

321 原则(便与记忆和给别人介绍) ：

• 3 种关系
• 2 种角色--生产和消费
• 1 个交易场所--特点结构的内存空间

例如解耦 add 和 main ，实现高并发

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4. 基于 BlockingQueue 的生产者消费者模型

1. 基本概念

在多线程编程中，阻塞队列（Blocking Queue）是一种常用的数据结构，用于实现生产者和消费者模型。与普通队列相比，阻塞队列具有以下特点：

• 当队列为空时，从队列获取元素的操作将会被阻塞，直到队列中有新元素被放入。
• 当队列满时，往队列里存放元素的操作也会被阻塞，直到队列中有元素被取出。
• 其余时间就是边生产边消费，同时进行

2.BlockQueue.hpp

基本设置：

template <class T>
class BlockQueue
{
    static const int defalutnum = 20;
public:
    BlockQueue(int maxcap = defalutnum):maxcap_(maxcap)
    {
        pthread_mutex_init(&mutex_, nullptr);
        pthread_cond_init(&c_cond_, nullptr);
        pthread_cond_init(&p_cond_, nullptr);
        // low_water_ = maxcap_/3;
        // high_water_ = (maxcap_*2)/3;
    }
 ~BlockQueue()
    {
        pthread_mutex_destroy(&mutex_);
        pthread_cond_destroy(&c_cond_);
        pthread_cond_destroy(&p_cond_);
    }

private:
    std::queue<T> q_; 
    //int mincap_;
    int maxcap_;      // 极值
    pthread_mutex_t mutex_;
    pthread_cond_t c_cond_;
    pthread_cond_t p_cond_;
    // int low_water_;
    // int high_water_;
};

1. 队列 q_ 共享资源, q被当做整体使用的，q只有一份，加锁

生产关系控制：

void push(const T &in)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
        while(q_.size() == maxcap_){ 
            pthread_cond_wait(&p_cond_, &mutex_);
        }
        q_.push(in);                   
        // if(q_.size() > high_water_) pthread_cond_signal(&c_cond_);
        pthread_cond_signal(&c_cond_);
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);
    }

细节点：

1. 你想生产，就直接能生产吗？不一定。你得先确保生产条件满足

pthread_mutex_lock(&mutex_);

while(q_.size() == maxcap_)

1. 判断也是在访问临界资源，在内部进行判断的，所以锁要放在外面保护
2. 货物满了，就伪唤醒后加入等待队列

消费关系的控制

T pop()
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex_);
        while(q_.size() == 0) 
        {
            pthread_cond_wait(&c_cond_, &mutex_); 
        }
        
        T out = q_.front(); 
        q_.pop();

        // if(q_.size()<low_water_) pthread_cond_signal(&p_cond_);
        pthread_cond_signal(&p_cond_);
        pthread_mutex_unlock(&mutex_);

        return out;
    }

细节点：

1. 生产和消费需要分别设置两个等待队列
2. 你想消费，就直接能消费吗？不一定。你得先确保消费条件满足，while判断队列情况

⭕思考点

谁来唤醒呢？

例如：有生产，就可以解锁唤醒消费队列了

q_.pop();
pthread_mutex_unlock(&mutex_);

对策略的添加：

发现生产和消费的同步，通过水位线来进行范围管控，例如：

1. if(q_.size()>high_water_) pthread_cond_signal(&c_cond_);//大于某一水位后，唤醒尽快消费
2. if(q_.size()<low_water_) pthread_cond_signal(&p_cond_);

test 函数：

#include "BlockQueue.hpp"
#include "Task.hpp"
#include <unistd.h>
#include <ctime>

void *Consumer(void *args)
{
    BlockQueue<Task> *bq = static_cast<BlockQueue<Task> *>(args);

    while (true)
    {
        // 消费（存在管控的加入执行，调用等待队列的封装接口）
        Task t = bq->pop();
        
        std::cout << "处理任务: " << t.GetTask() << " 运算结果是： " << t.GetResult() << " thread id: " << pthread_self() << std::endl;
        t.run();//接收到的任务对象，调用接口跑起来了
        sleep(1);//Pop前已经检验测试一大堆了
    }
}

void *Productor(void *args)
{
    int len = opers.size();
    BlockQueue<Task> *bq = static_cast<BlockQueue<Task> *>(args);
    int x = 10;
    int y = 20;
    while (true)
    {
        // 模拟生产者生产数据
        int data1 = rand() % 10 + 1; // [1,10]
        usleep(10);
        int data2 = rand() % 10;
        char op = opers[rand() % len];
        Task t(data1, data2, op);

        // 生产
        bq->push(t);
        std::cout << "生产了一个任务: " << t.GetTask() << " thread id: " << pthread_self() << std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    srand(time(nullptr));

    // 因为 321 原则
    BlockQueue<Task> *bq = new BlockQueue<Task>();
    pthread_t c[3], p[5];
    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        pthread_create(c + i, nullptr, Consumer, bq);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_create(p + i, nullptr, Productor, bq);
    }

    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        pthread_join(c[i], nullptr);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_join(p[i], nullptr);
    }
    delete bq;
    return 0;
}

BlockQueue 内部可不可以传递其他数据，比如对象？比如任务？？？

可以。进化为基于任务的阻塞队列了

进化执行 Task.hpp

Task t = bq->pop();，cout 执行直接变为t.run()

例如执行如下任务

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>

std::string opers="+-*/%";

enum{
    DivZero=1,
    ModZero,
    Unknown
};

class Task
{
public:
    Task(int x, int y, char op) : data1_(x), data2_(y), oper_(op), result_(0), exitcode_(0)
    {
    }
    void run()
    {
        switch (oper_)
        {
        case '+':
            result_ = data1_ + data2_;
            break;
        case '-':
            result_ = data1_ - data2_;
            break;
        case '*':
            result_ = data1_ * data2_;
            break;
        case '/':
            {
                if(data2_ == 0) exitcode_ = DivZero;
                else result_ = data1_ / data2_;
            }
            break;
        case '%':
           {
                if(data2_ == 0) exitcode_ = ModZero;
                else result_ = data1_ % data2_;
            }            break;
        default:
            exitcode_ = Unknown;
            break;
        }
    }
    void operator ()()
    {
        run();
    }
    std::string GetResult()
    {
        std::string r = std::to_string(data1_);
        r += oper_;
        r += std::to_string(data2_);
        r += "=";
        r += std::to_string(result_);
        r += "[code: ";
        r += std::to_string(exitcode_);
        r += "]";

        return r;
    }
    std::string GetTask()
    {
        std::string r = std::to_string(data1_);
        r += oper_;
        r += std::to_string(data2_);
        r += "=?";
        return r;
    }
    ~Task()
    {
    }

private:
    int data1_;
    int data2_;
    char oper_;

    int result_;
    int exitcode_;
};

生产者消费者模型高效在哪里？

答案是生产者消费者模式并不高效在队列中拿放，而是在生产之前和消费之后，让线程并行执行！！
同样生产者消费者的意义也不再队列中，而是在放之前同时生产，拿之后同时消费。

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3. 注意点

1. 判断生产消费条件

• • 这是因为线程可能被伪唤醒（即线程被唤醒但条件仍未满足），使用 while 可以确保线程在真正满足条件时才继续执行。

1. pthread_cond_wait 函数

• • pthread_cond_wait 是让当前线程进入等待状态的函数。
  • 如果调用失败，线程将继续执行，可能导致逻辑错误（如尝试从空队列中取数据或向满队列中添加数据）。

1. 多消费者情况下的唤醒

• • 使用 pthread_cond_broadcast 唤醒所有等待的消费者时，若只有一个数据可供消费，则会导致其他消费者被伪唤醒。
  • 为了避免这种情况，线程在被唤醒后应再次检查条件是否满足。

1. 使用 while 判断的必要性

• 在判断是否满足生产或消费条件时，应使用 while 循环而非 if 语句。

• • 为了防止伪唤醒导致的问题，必须使用 while ，确保线程在满足条件时才继续执行。

思路：上锁访问，检查达到某一条件，等待，未达到执行，检查完后解锁，所检查完后满足的线程，接收任务同时跑，线程再上锁访问，尝试获取下一个任务以此循环。

cp 模型的思路如上，简单实现了代码，下一章将结合信号量，优化完善代码并进行测试~