C++linux高并发服务器项目实践 day11

线程同步
- 互斥锁
- 死锁
- 读写锁
- - 读写锁相关操作函数
- 生产者消费者模型
- 条件变量
- 信号量

线程同步

线程的主要优势在于，能够通过全局变量来共享信息。不过，这种便捷的共享是有代价的:必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量

临界区是指访问某一共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为原子操作，也就是同时访问同一共享资源的其他线程不应中断该片段的执行

线程同步:即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处于等待状态

/*
    使用多线程实现卖票案例
    有3个窗口，一共是100张票

*/

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

//全局变量，所有的线程共享这一份资源
int tickets = 100;

void *sellticket(void * arg){

    //卖票
    while(tickets > 0){
        printf("%ld 正在卖第%d张门票\n",pthread_self(),tickets);
        tickets--;
        usleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main(){

    //创建3个子线程
    pthread_t tid1,tid2,tid3;
    pthread_create(&tid1,NULL,sellticket,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,sellticket,NULL);
    pthread_create(&tid3,NULL,sellticket,NULL);

    //回收子线程的资源,阻塞
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_join(tid3,NULL);

    //设置线程分离
    // pthread_detach(tid1);
    // pthread_detach(tid2);
    // pthread_detach(tid3);

    pthread_exit(NULL);//退出主线程

    return 0;
}

互斥锁

为避免线程共享变量时出现问题，可以使用互斥锁(mutex 是 mutual exclusion的缩写)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥锁来保证对任意共享资源的原子访问

互斥锁有两种状态:已锁定(locked)和未锁定(unlocked)。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥锁。试图对已经锁定的某一互斥锁再次加锁，将可能阻塞线程或者报错失败，具体取决于加锁时使用的方法

一旦线程锁定互斥锁，随机称为该互斥锁的所有者，只有所有者才能给互斥锁解锁。一般情况下，对每一共享资源(可能由多个相关变量组成)会使用不同的互斥锁，每一线程在访问同一资源时将采用如下协议:

针对共享资源锁定互斥锁
访问共享资源
对互斥锁解锁

在这里插入图片描述
互斥锁的类型 pthread_mutex_t

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t * restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

初始化互斥锁
参数:
- mutex:需要初始化的互斥锁变量
- attr:互斥锁相关的属性，一般使用默认，传递NULL
restrict:C语言的修饰符，被修饰的指针，不能由另外一个指针进行操作

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

释放互斥锁的资源

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

加锁，阻塞的，如果有一个线程加锁了，你们其他的线程只能阻塞等待

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

解锁

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

//全局变量，所有的线程共享这一份资源
int tickets = 100;

//创建一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex;

void *sellticket(void * arg){



    //卖票
    while(1){
        //加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        if(tickets > 0){
            printf("%ld 正在卖第%d张门票\n",pthread_self(),tickets);
            tickets--;
        }else{
            //解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }

        //解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }




    return NULL;
}

int main(){

    //初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);

    //创建3个子线程
    pthread_t tid1,tid2,tid3;
    pthread_create(&tid1,NULL,sellticket,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,sellticket,NULL);
    pthread_create(&tid3,NULL,sellticket,NULL);

    //回收子线程的资源,阻塞
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    pthread_join(tid3,NULL);


    pthread_exit(NULL);//退出主线程

    //释放互斥锁资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

死锁

两个或两个以上的进程在执行过程中，因共享资源而造成的一种相互等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁

死锁的几种场景:

忘记释放锁
重复加锁
多线程多锁，抢占锁资源

读写锁

在对数据的读写操作中，更多的是读操作，写操作较少。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了读写所来实现

读写锁的特点:

如果有其他线程读数据，则允许其他线程执行读操作，但不允许写操作
如果有其他线程写数据，则其他线程都不允许读、写操作
写是独占的，写的优先级更高

读写锁相关操作函数

读写锁的类型 pthread_rwlock_t

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock)

/*
案例: 8个线程操作同一个全局变量
3个线程不定时写一个全局变量，5个线程不定时的读一个全局变量
*/

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

//创建一个共享数据
int num = 1;
pthread_rwlock_t rwlock;

void *writenum(void* arg){

    while (1)
    {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        num++;
        printf("++write,tid : %ld,num : %d\n",pthread_self(),num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(100);
    }
    

    return NULL;
}

void *readnum(void *arg){

    while(1){
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("===read,tid: %ld,num : %d\n",pthread_self(),num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(100);
    }
    
    return NULL;
}

int main(){
    pthread_rwlock_init(&rwlock,NULL);

    //创建3个写线程，5个读线程
    pthread_t wtids[3],rtids[5];

    for(int i = 0;i < 3;i++){
        pthread_create(&wtids[i],NULL,writenum,NULL);
    }
    for(int i = 0;i < 5;i++){
        pthread_create(&rtids[i],NULL,readnum,NULL);
    }

    //设置线程分离
    for(int i = 0;i < 3;i++){
        pthread_detach(wtids[i]);
    }

    for(int i = 0;i < 5;i ++){
        pthread_detach(rtids[i]);
    }

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
    
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

生产者消费者模型

在这里插入图片描述

条件变量

条件变量的类型 pthread_cond_t

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);

功能:阻塞函数，调用了该函数，线程会阻塞。

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,const struct timespec *restrict abstime);

功能:等待多长时间，调用了这个函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

唤醒一个或者多个等待的线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

唤醒所有的等待的线程

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

//创建一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
//创建条件变量
pthread_cond_t cond;

struct Node
{
    int num;
    struct Node* next;
};

//头节点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg){

    //不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1){
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode =  (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));

        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node,num : %d,tid : %ld\n",newNode->num,pthread_self());

        //只要生产了一个，就通知消费者消费
        pthread_cond_signal(&cond);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *customer(void * arg){
    
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //保存头节点的指针
        struct Node* tmp = head;

        //判断是否有数据
        if(head != NULL){
            //有数据
            head = head->next;
            printf("del node,num : %d,tid : %ld\n",tmp->num,pthread_self());
            free(tmp);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }else{
            //没有数据,需要等待
            //当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁
            pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }


    }
    

    return NULL;
}

int main(){
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    pthread_cond_init(&cond,NULL);

    //创建5个生产者线程和5个消费这线程
    pthread_t ptids[5],ctids[5];

    for(int i = 0 ;i < 5;i++){
        pthread_create(&ptids[i],NULL,producer,NULL);
        pthread_create(&ctids[i],NULL,customer,NULL);
    }

    for(int i = 0;i < 5;i ++){
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1){
        sleep(10);
    }

    
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);

    pthread_exit(NULL);


    return 0;
}

信号量

信号量的类型 sem_t

int sem_init (sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);

功能:初始化信号量
参数:
- sem:信号量变量的地址
- pshared: 0 用在线程 , 非0 用在进程
- value:信号量中的值

int sem_destroy(sem_t *sem);

功能:释放资源

int sem_wait(sem_t *sem):

功能:对信号量加锁，调用一次对信号量的值-1，如果值为0，就阻塞

int sem_trywait(sem_t *sem);

功能:

int sem_timedwait(sem_t *sem,const struct timespec *abs_timeout);
int sem_post(sem_t *sem);

对信号量解锁，调用一次对信号量的值+1

int sem_getvalue(sem_t *sem,int *sval);


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

//创建一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
//创建两个信号量
sem_t psem,csem;

struct Node
{
    int num;
    struct Node* next;
};

//头节点
struct Node * head = NULL;

void * producer(void * arg){

    //不断的创建新的节点，添加到链表中
    while(1){
        sem_wait(&psem);

        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node * newNode =  (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));

        newNode->next = head;
        head = newNode;
        newNode->num = rand() % 1000;
        printf("add node,num : %d,tid : %ld\n",newNode->num,pthread_self());


        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&csem);

    }

    return NULL;
}

void *customer(void * arg){
    
    while (1)
    {
        sem_wait(&csem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        //保存头节点的指针
        struct Node* tmp = head;
        head = head->next;
        printf("del node,num : %d,tid : %ld\n",tmp->num,pthread_self());
        free(tmp);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&psem);
    }
    

    return NULL;
}

int main(){
    pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
    sem_init(&psem,0,8);
    sem_init(&csem,0,0);


    //创建5个生产者线程和5个消费这线程
    pthread_t ptids[5],ctids[5];

    for(int i = 0 ;i < 5;i++){
        pthread_create(&ptids[i],NULL,producer,NULL);
        pthread_create(&ctids[i],NULL,customer,NULL);
    }

    for(int i = 0;i < 5;i ++){
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1){
        sleep(10);
    }

    
    pthread_mutex_destroy(&mutex);


    pthread_exit(NULL);


    return 0;
}