“我是我境遇里的起步者。” -- 里尔克《布里格手记》
在上一节Linux多线程当中，我们讲述了Linux中线程的概念以及线程的控制内容。这一篇博客承接上次内容，我们来对线程安全进行阐述。
目录
1.线程安全
1.1互斥的实现
1.1.1互斥锁实现互斥
1.1.2互斥锁相关接口
1.1.3互斥锁的死锁情况
1.2同步的实现
1.2.1条件变量实现同步
1.2.2条件变量相关接口
1.2.3信号量实现同步
1.线程安全
在多线程程序当中，当我们涉及到共享资源的操作时，可能会导致数据二义性造成结果不可控现象。那么对于线程安全而言，便是当我们对共享资源进行操作的时候，不会造成数据的二义性。简而言之，线程安全指的是多线程中对共享资源的操作不会出现问题。
那么我们该通过何种方式来保证线程安全，即互斥和同步。
- 互斥：同一时间执行流对资源的操作唯一，保证访问安全性；
- 同步：通过条件控制，让多执行流对资源的获取更加合理。
1.1互斥的实现
互斥的实现有较多方式：互斥锁，读写锁，自旋锁……我们详细讲述互斥锁的内容：
1.1.1互斥锁实现互斥
讨论互斥锁的原理之前，首先我们来谈一谈互斥锁的本质：0/1计数器，即通过0和1来标记资源的可访问和不可访问状态。（0-不可访问，1-可访问）
当访问资源之前进行加锁操作（通过状态判断是否可访问，不可访问则阻塞）；在访问资源之后进行解锁操作（将资源置为可访问状态，唤醒其他被阻塞的进程）。
对于多线程而言，当我们对资源进行互斥锁管理的时候，就必须保证多个线程访问的是同一个互斥锁（加锁的是同一个共享资源），否则多个线程对于资源的访问时没有收到限制的。
互斥锁的操作本身必须是安全的：互斥锁本身计数器操作是原子操作。那么对于互斥锁本身是如何实现安全的，我们做以下讨论：
在具体的实现当中，一个变量的数据加载到内存之中不是瞬间的，而是需要一个过程。所以万一出现在某一线程对共享资源的访问中，还未曾将计数器的1修改为0时，线程切换，第二个线程要对共享资源进行访问，它会发现共享资源还未被置为不可访问状态，于是它也可以对共享资源进行访问。
就类似于：当一号线程进门之后正准备访问资源和关门，但是线程切换，二号线程发现共享资源的门是开着的，于是它也就进门对共享资源进行操作。
所以为了避免上述问题的出现，我们在线程访问cpu中加入寄存器，并通过exchange操作来交换寄存器和内存中的数据，即：
- 先将指定寄存器中的值修改为0；
- 将寄存器中与内存的数据进行交换；
- 判断相关条件是否能够加锁或者去锁。
此时，当一个线程对共享资源进行访问还没来得及加锁，线程切换后其他线程看到的依旧是0，即其他线程无法进行访问。
1.1.2互斥锁相关接口
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexatter_t *attr);pthread_mutex_init接口用于实现互斥锁的初始化，其中mutex是互斥锁变量的地址，attr：互斥锁变量属性，通常置为NULL。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_lock是阻塞加锁接口，如果加不上锁，则一直等待，直到加锁成功；
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_trylock是非阻塞加锁接口，如果加锁不成功，则立即报错返回。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_unlock用于访问资源完毕时解锁。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_destroy用于释放资源时销毁锁。
了解完接口之后，我们照例来进行代码演示：
我们对上述存在多线程的代码编译并执行我们会发现：
怎么会存在第100位数据被重复获取，这就联系到了我们今天的内容，即线程安全。上述代码展示出来的结果暴露了一个问题，即共享资源被多线程访问的不安全问题，那么结合互斥锁的内容，我们对其进行改进和优化：将判断共享资源剩余和获取共享资源保护起来，中间不可被打断。
加入互斥锁后，需要注意在任何线程可能退出的位置都需要解锁。并且在一个线程获取完资源之后，我们加入ulseep保证时间片的分配，否则结合加锁解锁操作，始终会是一个线程对资源进行访问。最后编译执行得到的结果如下：
很好的展现了互斥锁在线程安全中的作用。
1.1.3互斥锁的死锁情况
死锁是多个线程对锁资源的争抢不当导致程序流卡死，程序无法继续向前推进的情况。
死锁产生有两种简单的情况，即：加锁之后未解锁导致其他线程无法访问资源导致程序卡死，或是多锁使用时，加锁顺序和解锁顺序不一致。
但实际使用过程中死锁的产生原有远不止上述简单的两种，更可能是以下死锁产生的必要条件：
- 互斥条件 -- 同一时间一个锁只能被一个线程获取，多个线程无法访问同一个锁；
- 不可剥夺条件 -- 一个线程加的锁，只能由该线程解锁，其他线程无法释放；
- 请求与保持条件 -- 线程加了A锁之后又去请求B锁，如果B锁无法请求也不释放A锁；
- 环路等待条件 -- 线程1加了A锁请求B锁，线程2加了B锁请求A锁。
死锁的预防：破坏死锁产生的必要条件
- 多个线程加锁和解锁的顺序保持一致，尽可能避免环路条件的产生；
- 采用非阻塞加锁，如果无法成功加锁，则将已经加锁成功的释放。 -- 破坏请求与保持条件
死锁的避免：当死锁已经产生的解决方案
- 银行家算法；
- 死锁检测算法；
- ……
1.2同步的实现
同步是为了让资源的分配更加合理，但是资源分配的合理不会保证资源分配的安全，这是我们需要注意的点，具体的同步实现方式有：条件变量、信号量……
1.2.1条件变量实现同步
条件变量主要是提供一个pcb等待队列，以及阻塞和唤醒阻塞线程的接口。其实现原理如下：
- 线程1对资源获取条件进行判断，若线程不满足获取条件，则调用阻塞接口阻塞线程；
- 线程2促使资源获取条件满足之后，通过唤醒接口唤醒被阻塞的线程。
值得注意的是，一个线程是否满足获取资源条件或是可以唤醒被阻塞线程的条件，需要程序员我们自己来判断。而当在多个线程操作中，条件操作本质上是一个临界资源的操作，那么便需要加锁来进行保护。
所以总而言之，条件变量是和互斥锁搭配进行使用的。
1.2.2条件变量相关接口
定义条件变量的变量类型：pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr *attr);pthread_cond_init是初始化接口，其中cond是条件变量的地址，attr是条件变量的属性，一般置为NULL。
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);pthread_cond_wait是阻塞等待接口，如果等不到资源则一直等待。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, struct timespec *t);pthread_cond_timedwait是有时长的阻塞等待接口，如果在t时间内未等到资源，则结束。
返回值为：ETIMEDOUT则表示时间结束时仍未获取到资源。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);pthread_cond_signal是唤醒至少一个阻塞队列中的线程。
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);pthread_cond_broadcast是唤醒等待队列中的所有线程。
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);pthread_cond_destroy用于释放资源。
在大致了解完相关接口之后，我们照例来通过代码对内容进行实践。
对cond.c编译并执行可到结果如下：
我们可以很直观的看出，资源的获取和生产是交替打印的，这便很好的体现了条件变量的同步，即线程交替运行。
1.2.3信号量实现同步
对于这部分内容，我们在Linux进程通信-3这便博客中以及提及到，所以在此不做多余赘述。
