Linux多线程C++版（五） 线程同步和线程互斥

news2024/10/6 0:32:20

目录

        • 1.线程同步和线程互斥
        • 2.线程互斥案例---ATM取钱--没有使用互斥锁
        • 3.线程互斥----互斥锁(互斥量)
        • 4.互斥锁创建和销毁
        • 5.互斥锁上锁和解锁
        • 6.线程互斥案例---ATM取钱--使用互斥锁
        • 7.互斥锁属性创建和销毁
        • 8.互斥锁属性之一---进程共享属性操作
        • 9.互斥锁属性之一----互斥锁类型操作
        • 10.代码了解互斥锁属性

1.线程同步和线程互斥

  • 线程同步
    • 线程同步是一个宏观概念，在微观上包含线程的相互排斥和线程先后执行的约束问题。
    • 解决同步方式
      • 条件变量
      • 线程信号量
  • 线程互斥
    • 线程执行是相互排斥
    • 解决互斥方式
      • 互斥锁
      • 读写锁
      • 线程信号量

2.线程互斥案例—ATM取钱–没有使用互斥锁

头文件 account.h

#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
//银行账户结构体
typedef struct{
    int code;//卡号
    double balance;//余额
}Account;
//创建账户
extern Account* creat_account(int code,double balance);
//销毁账户
extern void destory_account(Account *a);
//取款
extern double withdraw(Account *a,double amt);
//存款
extern double deposit(Account *a,double amt);
//查看账户余额
extern double get_balance(Account *a);
#endif

功能文件account.c

#include "account.h"
#include <malloc.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>

//创建账户
Account* creat_account(int code,double balance){
    //创建账户在堆当中
    Account *a = (Account*)malloc(sizeof(Account));
    assert(a != NULL);//用来判断a指针所需要开辟的空间，开辟成功了吗，成功就继续，否则就程序终止运行。
    a->code = code;
    a->balance = balance;
    return a;
}
//销毁账户
void destory_account(Account *a){
    assert(a != NULL);
    free(a);//释放空间
}
//取款
double withdraw(Account *a,double amt){
    if(amt < 0 || amt > a->balance){
        return 0.0;
    }
    double balance = a->balance;
    sleep(1);
    balance -= amt;
    a->balance = balance;
    return amt;
}
//存款
double deposit(Account *a,double amt){
   assert(a != NULL);
   if(amt < 0){
       return 0.0;
   }
    double balance = a->balance;
    sleep(1);
    balance += amt;
    a->balance = balance;
    return amt;
}
//查看账户余额
double get_balance(Account *a){
    assert(a != NULL);
    double balance = a->balance;
    return balanec;
}

执行文件 account_test.c

#include "account.h"
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

//操作者的结构体
typedef struct{
    char  name[20];//操作者姓名
    Account *account;//账户
    double amt;//金额
}OperArg
//定义取款操作的线程运行函数
void* withdraw_fn(void *arg){
    OperArg *oa = (OperArg*)arg;
    //deposit存款函数
    double amt = deposit(oa->account,oa->amt);
    printf("%8s(0x%lx) deposit %f from account %d/n",oa->name,pthread_self(),amt,oa->account->code);
    return (void*)0;
}
//定义存款操作的线程运行函数
void* deposit_fn(void *arg){
    OperArg *oa = (OperArg*)arg;
    //withdraw取款函数
    double amt = withdraw(oa->account,oa->amt);
    printf("%8s(0x%lx) withdraw %f from account %d/n",oa->name,pthread_self(),amt,oa->account->code);
    return (void*)0;
}
//定义查看银行账户的线程运行函数
void* check_fn(void *arg){
    
}
int main(void){
    int err;
    pthread_t boy,girl;
    Account *a = create_account(10001,10000)//卡号，余额
        
    OperArg o1 , o2;//两个操作者
    strcpy(o1.name,"boy");//strcpy()把第二个参数值，放到第一个参数中
    o1.account = a;
    o1.amt = 10000;
    
    strcpy(o2.name,"girl");
    o2.account = a;
    o2.amt = 10000;
    
    //启动两个子线程（boy和girl）同时去操作同一个银行账户
    if((err = pthread_create(&boy,null,withdraw_fn,(void*)&o1)!=0){
        printf("pthread create error");
    }
    if((err = pthread_create(&girl,null,withdraw_fn,(void*)&o2)!=0){
        printf("pthread create error");
    }
    
    pthread_join(boy,null);
    pthread_join(girl,null);
       
    //查看账户余额
    printf("account balance %f/n",get_balance(a));
    //销毁账户
    destroy_account(a);
    return 0;
}

程序输出结果：

在这里插入图片描述

girl和boy都从银行账户10001中取出了10000元，所以产生了错误。

3.线程互斥----互斥锁(互斥量)

  • 互斥锁是一种简单的加锁的方法，来控制对共享资源的访问。在同一时刻只能有一个线程掌握某个互斥锁，拥有上锁状态的线程能够对共享资源进行访问。若其他线程希望上锁一个已经被上了互斥锁的资源，则该线程挂起，直到上锁的线程释放互斥锁为止。
  • 互斥锁数据类型
    • pthread_mutex_t

4.互斥锁创建和销毁

//锁的定义
pthreat_mutex_t  mutex;
//锁的初始化
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthreat_mutex_t *mutexattr);
//锁的销毁
int pthread_mutex_destroy(pthreat_mutex_t *mutex);
返回：成功返回 0  否则返回错误编号
  • 参数
    • mutex :互斥锁
    • mutexattr：互斥锁创建方式 或者可以传入锁的属性后面会有
      • PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER(默认) 创建快速互斥锁 第一次上锁成功，第二次上锁会阻塞
      • PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP 创建递归互斥锁 第一次上锁成功，第二次以后上锁还是成功，内部计数
      • PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP 创建检错互斥锁 第一次上锁成功，第二次上锁会出错

5.互斥锁上锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //上锁  上不了锁该线程就阻塞
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); //上锁 上不了锁该线程就返回错误信息
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); //释放锁
返回：成功返回 0 出错返回出错码
  • 参数
    • mutex ：互斥锁

6.线程互斥案例—ATM取钱–使用互斥锁

头文件 account.h

#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
#include <pthread.h>
//银行账户结构体
typedef struct{
    int code;//卡号
    double balance;//余额
    //定义一把互斥锁，用来对多线程操作
    //银行账户（共享资源）进行加锁保护
    /*
    	建议互斥锁和账户(共享资源)绑定一起，用来锁定一个账户（共享资源）
    	尽量不设置全局变量，否则肯能出现一把锁去锁几百个账户，导致并发性能降低
    */
    pthread_mutex_t mutex;
    
}Account;
//创建账户
extern Account* creat_account(int code,double balance);
//销毁账户
extern void destory_account(Account *a);
//取款
extern double withdraw(Account *a,double amt);
//存款
extern double deposit(Account *a,double amt);
//查看账户余额
extern double get_balance(Account *a);
#endif

功能文件account.c

#include "account.h"
#include <malloc.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>

//创建账户
Account* creat_account(int code,double balance){
    //创建账户在堆当中
    Account *a = (Account*)malloc(sizeof(Account));
    assert(a != NULL);//用来判断a指针所需要开辟的空间，开辟成功了吗，成功就继续，否则就程序终止运行。
    a->code = code;
    a->balance = balance;
    //对互斥锁进行初始化
    pthread_mutex_init(&a->mutex,null);
    return a;
}
//销毁账户
void destory_account(Account *a){
    assert(a != NULL);
    //销毁互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&a->mutex)
    free(a);//释放空间
}
//取款
double withdraw(Account *a,double amt){
    assert(a != NULL);//判断指针a是否为空
    /*
    	从成功上锁，到释放锁之间对共享资源操作的区间称为临界区
    */
    pthread_mutex_lock(&a->mutex);//对共享共享资源（账户）加锁
    //有线程执行到此时，账户加锁，当其他线程执行到此时，就会被堵塞
        
    if(amt < 0 || amt > a->balance){
        //释放互斥锁
        pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
        return 0.0;
    }
    double balance = a->balance;
    sleep(1);
    balance -= amt;
    a->balance = balance;
    //释放互斥锁
    pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
    return amt;
}
//存款
double deposit(Account *a,double amt){
   assert(a != NULL);
   pthread_mutex_lock(&a->mutex)//对共享共享资源（账户）加锁
   if(amt < 0){
       //释放互斥锁
       pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
       return 0.0;
   }
    double balance = a->balance;
    sleep(1);
    balance += amt;
    a->balance = balance;
    //释放互斥锁
    pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
    return amt;
}
//查看账户余额
double get_balance(Account *a){
    assert(a != NULL);
    pthread_mutex_lock(&a->mutex)//对共享共享资源（账户）加锁
    double balance = a->balance;
    //释放互斥锁
    pthread_mutex_unlock(&a->mutex);
    return balanec;
}

执行文件 account_test.c

#include "account.h"
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

//操作者的结构体
typedef struct{
    char  name[20];//操作者姓名
    Account *account;//账户
    double amt;//金额
}OperArg
//定义取款操作的线程运行函数
void* withdraw_fn(void *arg){
    OperArg *oa = (OperArg*)arg;
    //deposit存款函数
    double amt = deposit(oa->account,oa->amt);
    printf("%8s(0x%lx) deposit %f from account %d/n",oa->name,pthread_self(),amt,oa->account->code);
    return (void*)0;
}
//定义存款操作的线程运行函数
void* deposit_fn(void *arg){
    OperArg *oa = (OperArg*)arg;
    //withdraw取款函数
    double amt = withdraw(oa->account,oa->amt);
    printf("%8s(0x%lx) withdraw %f from account %d/n",oa->name,pthread_self(),amt,oa->account->code);
    return (void*)0;
}
//定义查看银行账户的线程运行函数
void* check_fn(void *arg){
    
}
int main(void){
    int err;
    pthread_t boy,girl;
    Account *a = create_account(10001,10000)//卡号，余额
        
    OperArg o1 , o2;//两个操作者
    strcpy(o1.name,"boy");//strcpy()把第二个参数值，放到第一个参数中
    o1.account = a;
    o1.amt = 10000;
    
    strcpy(o2.name,"girl");
    o2.account = a;
    o2.amt = 10000;
    
    //启动两个子线程（boy和girl）同时去操作同一个银行账户
    if((err = pthread_create(&boy,null,withdraw_fn,(void*)&o1)!=0){
        printf("pthread create error");
    }
    if((err = pthread_create(&girl,null,withdraw_fn,(void*)&o2)!=0){
        printf("pthread create error");
    }
    
    pthread_join(boy,null);
    pthread_join(girl,null);
       
    //查看账户余额
    printf("account balance %f/n",get_balance(a));
    //销毁账户
    destroy_account(a);
    return 0;
}

程序运行结果：

在这里插入图片描述

7.互斥锁属性创建和销毁

//互斥锁属性的初始化
int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);
//互斥锁属性的销毁
int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr)
  • 参数
    • attr：互斥锁属性定义

8.互斥锁属性之一—进程共享属性操作

//restrict用于限定和约束指针，表示这个指针只访问这块内存的唯一方式
//共享属性获取，pshared用于存放获取的共享属性
int pthread_mutexattr_getpshared(const pthread_mutexattr_t *restrict attr,int *restrict pshared);
//共享属性设置，pshared用于指定共享属性
int pthread_mutexattr_setpshared(const pthread_mutexattr_t *attr,int pshared);
返回：成功返回0，出错返回错误编号
  • 参数
    • attr：互斥锁属性
    • pshared：进程共享属性
      • PTHREAD_PROCESS_PRIVATE(默认情况) 锁只能用于一个进程内部的两个进程进行互斥
      • PTHREAD_PROCESS_SHARED 锁可以用于两个不同进程中的线程进行互斥

9.互斥锁属性之一----互斥锁类型操作

//restrict用于限定和约束指针，表示这个指针只访问这块内存的唯一方式
//共享属性获取，pshared用于存放获取的共享属性
int pthread_mutexattr_gettype(const pthread_mutexattr_t *restrict attr,int *restrict type);
//共享属性设置，pshared用于指定共享属性
int pthread_mutexattr_settype(const pthread_mutexattr_t *attr,int type);
返回：成功返回0，出错返回错误编号
  • 参数
    • attr：互斥锁属性
    • type：互斥锁类型
      • 标准互斥锁：PTHREAD_MUTEX_NORMAL 第一次上锁成功，第二次上锁会阻塞
      • 递归互斥锁：PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 第一次上锁成功，第二次以后上锁还是成功，内部计数
      • 检错互斥锁：PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 第一次上锁成功，第二次上锁会出错
      • 默认互斥锁：PTHREAD_MUTEX_DEFAULT(同标准互斥锁)

10.代码了解互斥锁属性

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

int main(int argc,char *argv[]){
    //定义锁
    pthread_mutex_t mutex;
    
    if(argc<2){
        printf("-usage:%s [error|normal|recursive]/n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    
    //定义互斥锁属性
    pthread_mutexatte_t  mutexattr;
    //初始化互斥锁属性
    pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
    
    /*
    	strcmp函数用于比较两个字符串并根据比较结果返回整数。
    	基本形式为strcmp(str1,str2)，
    	若str1=str2，则返回零；
    	若str1<str2，则返回负数；
    	若str1>str2，则返回正数。
    */
    if(!strcmp(argv[1]),"error"){
        //设置互斥锁类型---检错型
        pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK);
    }else if(!strcmp(argv[1],"normal")){
        //设置互斥锁类型---标准型
        pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,PTHREAD_MUTEX_NORMAL);
    }else if(!strcmp(argv[1],"recursive")){
        //设置互斥锁类型---递归型
        pthread_mutexattr_settype(&mutexattr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE );
    }
    //锁的初始化，第一个参数传入锁，第二个参数可以指定，也可以传入锁的属性，
    pthread_mutex_init(&mutex,&mutexattr)
    //上锁
    if(pthread_mutex_lock(&mutex) !=0){
        printf("lock failure\n");
    }else{
         printf("lock sucess\n");
    }
    //第二次上锁
    if(pthread_mutex_lock(&mutex) !=0){
        printf("lock failure\n");
    }else{
         printf("lock sucess\n");
    }
    
    //上了两次锁，解锁两次
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    
    //销毁属性
    pthread_mutexattr_destroy(&mutexattr);
}

程序运行结果：

​ 选择normal，锁的类型是普通型，第一次上锁成功，第二次失败，程序阻塞

​ 选择recursive，锁的类型是递归性，第一次上锁成功， 第二次也成功，只是内部计数。

​ 选择error，锁的类型是检错型，第一次上锁成功，第二次失败，程序报错
在这里插入图片描述
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【数据结构】二叉树优先级队列——堆

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文章目录1. 树的概念及结构1.1 树的相关概念1.2 树的表示2. 二叉树的概念及其结构2.1 二叉树的概念2.2 特殊的二叉树2.3 二叉树的性质2.4 二叉树的存储结构3. 堆3.1 堆的概念及结构3.2 堆的实现3.2.1 堆的创建3.2.2 堆的插入3.2.3 堆的向上调整算法3.2.4 堆的删除3.2.5 堆的向下…
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