Linux 线程互斥
- 进程线程间互斥相关背景和概念
- 互斥量
- 互斥量的接口
- 互斥量实现原理探究
可重入与线程安全
- 概念
- 常见的线程不安全的情况
- 常见的线程安全的情况
- 常见不可重入的情况
- 常见可重入的情况
- 可重入与线程安全联系
- 可重入与线程安全区别
死锁
- 死锁四个必要条件
- 避免死锁

Linux 线程互斥

进程线程间互斥相关背景和概念

临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源
临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区

比如下面这段代码中，g_val作为一个全局变量，主线程和新创建出的线程都能访问到它，被多个执行流所共享，所以是临界资源。
新线程中g_val- -和主线程中打印了g_val ，都访问了临界资源的代码，所以就叫做临界区。

//code1
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

int g_val = 10000;//临界资源
void* fun(void* args)
{
    while(1)
    {
        g_val--;//临界区
        sleep(1);
    }
    pthread_exit((void*) 0);
}
int main()
{
    pthread_t t1;
    pthread_create(&t1,nullptr,fun,nullptr);
    while(1)
    {
        cout << "g_val = " << g_val << endl;//临界区
        sleep(1);
    }
    pthread_join(t1,nullptr);
    return 0;
}

互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用

原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成

在多线程的情况下，如果任由各个线程并发对临界资源进行修改的操作，就有可能导致临界资源不能达到我们预期的要求。
比如下面这段代码演示：

//code2
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

int g_val = 10;
void* fun(void* args)
{
    string name = static_cast<const char*>(args);
    while(1)
    {
        if(g_val > 0)
        {
            sleep(1);
            g_val--;
            cout << name << ": " << g_val << endl;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
    pthread_exit((void*) 0);
}
int main()
{
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,fun,(void*)"thread-1");
    pthread_create(&t2,nullptr,fun,(void*)"thread-2");
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);
    return 0;
}

code2 演示了两个线程对一个全局变量g_val进行 - - 操作，每次打印g_val的值。按照我们的预期，它应该是打印到0程序就结束了。然而并不是。g_val的值出现的负数的情况。
在这里插入图片描述
出现负数的原因：

在一个线程中，if语句判断条件为真后，代码中有sleep语句，此时其他线程可能会趁机进入该代码段。
g_val- -操作不是一个原子操作

前面我们讲到，原子性是不会被操作系统的任何调度打断的，也就说原子操作只有两种状态，要么完成了，要么未完成。

为什么g_val不是原子操作？

g_val - - 在C++语言层面上虽然只是一条语句，但是汇编语言才是计算机执行的语言，而对变量进行 - - ，实际需要以下三个步骤

load：将共享变量tickets从内存加载到寄存器中。
update：更新寄存器里面的值，执行-1操作。
store：将新值从寄存器写回共享变量tickets的内存地址

在这里插入图片描述

**- -**操作的汇编代码如下：
在这里插入图片描述
既然- - 操作实际需要三个步骤才能完成，那么就有可能在thread-1把g_val的值读进CPU寄存器然后进行 - 1操作的时候就被CPU调度切走了，并没有把值写回到内存。假设此时thread-1读取到g_val的值是1，-1操作后，当thread-1被切走时，寄存器中的数据就叫做thread-1的上下文信息，thread-1需要将它保存起来，之后就挂起了，等待下一次调度。
在这里插入图片描述

假设此时CPU调度了thread-2，thread-2 判断此时g_val还是 1 ，所以进入if语句代码块里面，当还没开始进行 - - 操作时，如果因为时间片比较短，此时又切换到了thread-1，此时thread-1恢复上下文信息到CPU寄存器，会接着执行上一次还没完成的指令，于是就把0写回到了内存。
在这里插入图片描述
此时thread-1如果还未被切走，因为判断都g_val == 0 不满足 if 条件了，所以进入else，thread-1 结束。
重要的地方来了，此时CPU调度切回thread-2,由于thread是上次是已经满了if条件的，但还没开始- - 操作，所以才正式开始- - 操作，从内存中读数据到寄存器，是0，然后-1，最后把-1写回到内存。所以就会出现g_val为-1的情况。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
出现负数这种情况只是线程不安全的情况之一，由于- - 操作不是原子的，在三步汇编指令中任意一步都可能被切走，也会出现其他的情况。
比如当thread-1的g_val的值为10时，执行完- - 操作汇编指令第二步把g_val变为9后，就被切走了，并没有写回到内存，thread-2被调度了，thread-2一直将g_val的值减到1，并写回到内存。此时thread-1回来了，接着执行上次的步骤，把9写回到内存，此时g_val又变为9了，thread-2做的工作白费了。如果应用到现实业务中，会出现很严重的问题。

互斥量

大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。
多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

要解决以上问题，需要做到三点：

代码必须有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。
如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且此时临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。
如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

要做到这三点，本质上就是需要一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量。

在这里插入图片描述

互斥量的接口

初始化互斥量
初始化互斥量有两种方法：

静态分配

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

动态分配

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); 
 参数： 
  mutex：要初始化的互斥量 
  attr：初始化互斥量的属性，一般设置为NULL即可。
 返回值说明：
  互斥量初始化成功返回0，失败返回错误码

销毁互斥量
销毁互斥量需要注意：

使用 PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER 初始化的互斥量不需要销毁
不要销毁一个已经加锁的互斥量
已经销毁的互斥量，要确保后面不会有线程再尝试加锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)；

参数说明：
 mutex：需要销毁的互斥量
返回值说明：
 互斥量销毁成功返回0，失败返回错误码。

互斥量加锁和解锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //加锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); //解锁

参数说明：
 mutex：需要加锁的互斥量。

返回值说明：
 互斥量加锁/解锁成功返回0，失败返回错误码。

调用 pthread_ mutex_lock 时，可能会遇到以下情况:

互斥量处于未锁状态，该函数会将互斥量锁定，同时返回成功
发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请互斥量，但没有竞争到互斥量，那么pthread_mutex_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁。

使用示例：

//code3
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
using namespace std;

int g_val = 10;
pthread_mutex_t mutex;//定义一把全局的锁
void* fun(void* args)
{
    string name = static_cast<const char*>(args);
    while(1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);//加锁
        if(g_val > 0)
        {
            usleep(1000);
            g_val--;
            cout << name << ": " << g_val << endl;
            pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);//解锁
            break;
        }
    }
    pthread_exit((void*) 0);
}
int main()
{
    pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);
    pthread_t t1;
    pthread_t t2;
    pthread_create(&t1,nullptr,fun,(void*)"thread-1");
    pthread_create(&t2,nullptr,fun,(void*)"thread-2");
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

执行结果：
在这里插入图片描述
注意：

在大部分情况下，加锁本身都是有损于性能的事，它让多执行流由并行执行变为了串行执行，这几乎是不可避免的。
我们应该在合适的位置进行加锁和解锁，这样能尽可能减少加锁带来的性能开销成本。
进行临界资源的保护，是所有执行流都应该遵守的标准，这是程序员在编码时需要注意的。

互斥量实现原理探究

为什么加了锁就能体现出原子性？

引入互斥量后，当一个线程申请锁进入到临界区时，在其他线程看来，要么没有申请锁，要么锁已经释放了。只有这两种状态对其他线程才是有意义的，只关心什么时候自己才能拿到锁。
例如，图中线程1进入临界区后，在线程2，3，4看来，线程1要么没有申请锁，要么锁已经释放了，只关心自己什么时候才能拿到锁，如果检测到其他状态（如该锁已经被线程1拿到了），自己只能处于阻塞状态，等待下一次竞争锁。
在这里插入图片描述
此时对于线程2，3，4而言，它们就认为线程1的操作是原子的。

 临界区内的线程可能进行线程切换吗？如果切换了会影响到当前锁吗？

临界区的线程是可能线程切换去执行其他任务的，但是即使该线程被切走，其他线程也无法进入临界区进行资源访问，我们可以看做该线程是拿着锁被切走的，锁没用释放，也就意外着其他线程没用机会申请到锁，也就无法进入临界区进行资源访问了。

上面定义的锁也是一个全局对象，意味着它也是一个临界资源，它需要被保护吗？

锁既然是临界资源，那么它就必须被保护。可是锁的创造初心就是为了保护临界资源，那么谁来保护锁？
锁实际上是自己保护自己的，因为申请锁的过程本身就是原子的，所以锁是线程安全的。

申请锁如何保证原子性？

上面我们已经说明了- -操作不是原子操作，那么++也不是原子操作，不是原子操作，可能会导致数据不一致问题。
为了实现互斥锁操作，大多数体系结构都提供了swap或exchange指令，该指令的作用就是把寄存器和内存单元的数据相交换。由于只有一条指令，保证了原子性，即使是多处理器平台，访问内存的总线周期也有先后，一个处理器上的交换指令执行时，另一个处理器的交换指令只能等待总线周期。

下面我们来看看lock和unlock的伪代码：

在这里插入图片描述
我们可以认为mutex的初始值为1，al是计算机中的一个寄存器，当线程申请锁时，需要执行以下步骤：

先将al寄存器中的值清0。该动作可以被多个线程同时执行，因为每个线程都有自己的一组寄存器（上下文信息），执行该动作本质上是将自己的al寄存器清0。
然后交换al寄存器和mutex中的值。xchgb是体系结构提供的交换指令，该指令可以完成寄存器和内存单元之间数据的交换。
最后判断al寄存器中的值是否大于0。若大于0则申请锁成功，此时就可以进入临界区访问对应的临界资源；否则申请锁失败需要被挂起等待，直到锁被释放后再次竞争申请锁。

例如，此时内存中mutex的值为1，线程申请锁时先将al寄存器中的值清0，然后将al寄存器中的值与内存中mutex的值进行交换。
在这里插入图片描述

交换完成后检测该线程的al寄存器中的值为1，则该线程申请锁成功，可以进入临界区对临界资源进行访问。

而此后的线程若是再申请锁，与内存中的mutex交换得到的值就是0了，此时该线程申请锁失败，需要被挂起等待，直到锁被释放后再次竞争申请锁。
在这里插入图片描述
当线程释放锁时，需要执行以下步骤：

将内存中的mutex置回1。使得下一个申请锁的线程在执行交换指令后能够得到1，形象地说就是“将锁的钥匙放回去”。
唤醒等待Mutex的线程。唤醒这些因为申请锁失败而被挂起的线程，让它们继续竞争申请锁。

注意：

在申请锁时本质上就是哪一个线程先执行了交换指令，那么该线程就申请锁成功，因为此时该线程的al寄存器中的值就是1了。而交换指令就只是一条汇编指令，一个线程要么执行了交换指令，要么没有执行交换指令，所以申请锁的过程是原子的。
在线程释放锁时没有将当前线程al寄存器中的值清0，这不会造成影响，因为每次线程在申请锁时都会先将自己al寄存器中的值清0，再执行交换指令。
CPU内的寄存器不是被所有的线程共享的，每个线程都有自己的一组寄存器，但内存中的数据是各个线程共享的。申请锁实际就是，把内存中的mutex通过交换指令，原子性的交换到自己的al寄存器中。

可重入与线程安全

概念

线程安全：多个线程并发同一段代码时，不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，会出现该问题。
重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。