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为什么要线程同步？

• 线程间有很多共享资源，都对一个共享数据读写操作，线程操作共享资源的先后顺序不确定，可能会造成数据的冲突

看一个例子

两个线程屏行对全局变量count++ (采用一个val值作为中间变量，模拟寄存器工作方式，后面会详解)

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #define NLOOP 5000 //循环次数 int count = 0;//全局资源 void* func(void* p) { int i,val; for (i = 0; i < NLOOP; i++) { val = count; printf("count = %d\n",val+1); count = val + 1; usleep(100);//减缓线程执行速度，增加资源冲突概率 } return NULL; } int main() { pthread_t tidA, tidB; pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//线程A 对count++ pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//线程B 对count++ sleep(1); pthread_join(tidA, NULL); pthread_join(tidB, NULL); return 0; }

第一次执行结果

第二次执行结果

第三次执行结果

一段代码执行三次出现不同的结果，这是为什么？就是因为两个线程同时对共享资源进行操作，导致CPU处理共享资源出现错误

寄存器处理数据+1操作一般分为三步

• 从内存读变量值到寄存器
• 寄存器的值加1
• 将寄存器的值写回内存

假设变量值为5那么CPU执行线程A，将变量读到寄存器中，寄存器的值+1（正在加，此时值还为5），同时线程B将变量从内存中读走（值也为5），线程A将寄存器值写回变量（此时值为6），之后线程B处理完写回变量（此时值还是为6）

那么怎么解决这种情况发生？

一、互斥量

• 互斥量是pthread_mutex_t类型的变量。
• 互斥量有两种状态：lock（上锁）、unlock（解锁）
• 当对一个互斥量加锁后，其他任何试图访问互斥量的线程都会被堵塞，直到当前线程释放互斥锁上的锁。如果释放互斥量上的锁后，有多个堵塞线程，这些线程只能按一定的顺序得到互斥量的访问权限，完成对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁，否则其他线程将一直处于阻塞状态。

简单理解为：超市中的储存柜，当有人使用储存柜后，其他人使用不了，只能等待使用者使用完，再使用

互斥量操作原理

• 创建锁可以通过直接定义锁，或者调用初始化锁函数，二选一

#include <pthread.h> //pthread_mutex_t是锁类型，用来定义互斥锁 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //互斥锁的初始化 //restrict，C语言中的一种类型限定符，用于告诉编译器，对象已经被指针所引用，不能通过除该指针外所有其他直接或间接的方式修改该对象的内容。 第二个参数一般为NULL int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); //上锁 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); //判断是否上锁 //返回值：0表示已上锁，非0表示未上锁。 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); //解锁 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); //销毁互斥锁 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

对之前的例子加上互斥量

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h> #define NLOOP 5000 //循环次数 int count = 0;//全局资源 pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定义锁 void* func(void* p) { int i, val; for (i = 0; i < NLOOP; i++) { pthread_mutex_lock(&counter_mutex);//上锁 val = count; printf("count = %d\n", val + 1); count = val + 1; pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);//解锁 usleep(100);//减缓线程执行速度，增加资源冲突概率 } return NULL; } int main() { pthread_t tidA, tidB; pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//线程A 对count++ pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//线程B 对count++ sleep(1); pthread_join(tidA, NULL); pthread_join(tidB, NULL); return 0; }

不管怎么执行，结果都是10000次

死锁的情况

• 同一个线程已拥有A锁的情况下，再次请求获取A锁，导致线程阻塞
  解决方法：使用完资源后立刻解锁
• 线程一拥有A锁，再次请求获取B锁，同时线程二拥有B锁，请求获取A锁，导致线程阻塞
  解决方法：当拥有锁的情况下，请求获取另外一把锁失败时，释放已拥有的锁

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二、条件变量

• 条件变量就是一个变量，用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。
• 条件变量是用来等待事件
• 通常条件下变量和互斥锁同时使用。

条件变量操作原语

#include <pthread.h> //全局定义条件变量 pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //初始化条件变量 //cond参数为条件变量指针，通过该函数实现条件变量赋初值；cond_attr参数通常为NULL int　pthread_cond_init(pthread_cond_t　*cond,pthread_condattr_t　*cond_attr); //销毁条件变量 int　pthread_cond_destroy(pthread_cond_t　*cond);　 //自动释放mutex锁，等待条件满足 //这个函数的过程我们必须了解，首先对互斥锁进行解锁；然后自身堵塞等待；当等待条件达成，注意这时候函数并未返回，而是重新获得锁并返回。 int　pthread_cond_wait(pthread_cond_t　*cond,pthread_mutex_t　*mutex); //自动释放mutex锁，等待条件满足，如果在abstime时间内还没有满足，则返回错误 int　pthread_cond_timewait(pthread_cond_t　*cond,pthread_mutex　*mutex,const　timespec　*abstime); 　 //让等待条件满足的线程中某一个被唤醒 int　pthread_cond_signal(pthread_cond_t　*cond); //让等待条件满足的线程中全部被唤醒 (广播) int　pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t　*cond);

生产者消费模型

流程首先消费者需要访问共享资源首先要去拿到锁访问条件变量，条件变量说现在还没有资源，所以消费者释放锁，阻塞等待，直到生产者生产出资源后，将资源先放到公共区后，再告诉条件变量，现在有资源了，然后条件变量再去唤醒阻塞线程，这些阻塞的线程被唤醒后需要去争抢锁，先拿到锁的线程优先访问共享资源

实例

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> typedef struct msg { struct msg *next; int num; }MSG_T; MSG_T *head;//消息头结点 pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥锁 //pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //条件变量 本文通过init定义条件变量 pthread_cond_t mycond; //生产者 void *producer(void *p) { MSG_T* mp; for (;;) { mp = malloc( sizeof(MSG_T) ); mp->num = rand() % 1000 + 1;//生成随机数1到1000 printf("Produce %d\n", mp->num); //将资源放入公共区 pthread_mutex_lock(&lock); mp->next = head; head = mp; pthread_mutex_unlock(&lock); //通知条件变量唤醒线程 pthread_cond_signal(&mycond); sleep(rand() % 5); } } //消费者 void *consumer(void *p) { MSG_T* mp; for (;;) { pthread_mutex_lock(&lock);//上锁 while (head == NULL)//当没有数据时，wait阻塞等待 pthread_cond_wait(&mycond, &lock);//当没有拿到锁的时候 释放锁并等待 mp = head; head = mp->next; pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁 printf("Consume %d\n", mp->num); free(mp); sleep(rand() % 5); } } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t pid, cid; if (pthread_cond_init(&mycond, NULL) != 0) { printf("cond error'\n"); exit(1); } srand(time(NULL));//加入随机因子 pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_join(pid, NULL); pthread_join(cid, NULL); return 0; }

运行结果

三、信号量

• 信号量分为有名信号量和无名信号量，这里主要介绍无名信号量，用于线程同步，有名信号量一般是用于进程之间管理。
• 信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问，也被称为PV原子操作
• P操作，即信号量sem减一的过程，如果sem小于等于0，P操作被堵塞，直到sem变量大于0为止。P操作及加锁过程。
• V操作，即信号量sem加一的过程。V操作及解锁过程。

简单理解：假设现在有五把钥匙，当有人拿走一把后（P操作），就剩4把钥匙，直到钥匙被拿完，后面的人需要等待，直到使用者将钥匙归还（V操作）

信号量操作原理

#include <semaphore.h> //初始化 //sem: 要进行初始化的信号量对象 //pshared：控制着信号量的类型，如果值为0，表示它是当前进程的局部信号量；否则，其他进程就能够共享这个信号量 //value：赋给信号量对象的一个整数类型的初始值调用成功时 返回 0； int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned value); //p操作 -1 int sem_wait(sem_t *sem); //v操作 +1 int sem_post(sem_t *sem); //销毁信号量 int sem_destory(sem_t *sem);

信号量的生产消费者模型

#include <stdlib.h> #include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <semaphore.h> #define NUM 5 int queue[NUM];//定义一个环形队列 sem_t blank_number, product_number;//定义两个信号量 //生产者 void *producer(void *arg) { int p = 0; while (1) { sem_wait(&blank_number);//信号量blank_number--，可以比喻成盘子（最多5个盘子）盘子数量-1， queue[p] = rand() % 1000 + 1;//产生随机数 printf("Produce %d\n", queue[p]); sem_post(&product_number);//信号量product_number++ ，比喻成菜，现在菜的数量+1 消费者可以使用 p = (p + 1) % NUM;//队列下标偏移 sleep(rand() % 5); } } //消费者 void *consumer(void *arg) { int c = 0; while (1) { sem_wait(&product_number);//信号量product_number--，现在菜的数量-1 printf("Consume %d\n", queue[c]); queue[c] = 0;//清空当前下标队列 sem_post(&blank_number);//信号量 blank_number++，资源使用完了 盘子数量+1 c = (c + 1) % NUM;//队列下标偏移 sleep(rand() % 5); } } int main(int argc, char *argv[]) { pthread_t pid, cid; sem_init(&blank_number, 0, NUM);//值为5 sem_init(&product_number, 0, 0);//初始值为0 pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL); pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL); pthread_join(pid, NULL); pthread_join(cid, NULL); sem_destroy(&blank_number); sem_destroy(&product_number); return 0; }

运行结果