多线程 --- 竞争与互斥

序言

经过前面的学习，我们知道多个线程共享同一个进程地址空间的资源，所以免不了存在多个线程同时访问同一个资源的情况，这对我们的程序会产生什么影响呢？该怎么避免呢？

1. 多线程竞争

1.1 引出竞争问题

为了更好地理解问题地来源，我们采用一段程序来引出今天的主题：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <vector>
#include <unistd.h>

const int numThreads = 10;         // 线程数量
const int numIncrements = 100000; // 每个线程的增量次数
int counter = 0;                  // 全局计数器

void *incrementCounter(void *)
{
    while(counter <= numIncrements)
    {
        counter++;
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    std::vector<pthread_t> threads(numThreads);

    // 创建线程
    for (int i = 0; i < numThreads; ++i)
    {
        pthread_create(&threads[i], nullptr, incrementCounter, nullptr);
    }

    // 等待线程完成
    for (int i = 0; i < numThreads; ++i)
    {
        pthread_join(threads[i], nullptr);
    }

    std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl;

    return 0;
}

整个程序的逻辑还是比较简单的，主要就是我们采取多线程的方式来对一个全局变量进行自增操作，当他增加到指定的值时，执行完毕，回收线程，整个程序退出。

现在我们运行程序，看看结果：

运行了很多次，运行结果不是固定的，时而是 100001，时而是 100002！为什么会出现这种情况呢？本应该到达 100000 时，程序就应该结束了呀。

1.2 从底层思考原因

在进入底层之前，大家先要了解一个概念叫做 原子操作：

知识点 --- 原子操作

概念：原子操作指的是一种不可分割的操作，即这种操作一旦开始，就会一直运行到结束，中间不会被线程调度机制打断，也不会有任何的上下文切换到其他线程。在这里阐述的概念不易理解，大家可以简单的理解为 原子性操作的汇编指令只有一条。

特性：

不可分割性：原子操作在执行过程中不会被其他任务或事件中断。
完整性：操作要么全部完成，要么完全不执行，不会留下部分执行的结果。
线程安全：在多线程环境中，原子操作能确保同一时间只有一个线程能执行该操作，从而避免数据竞争和不一致性。

示例：我们上述程序其中一个指令为 counter++;，这就是一条非原子性的操作，看着只有一句，但是在汇编层面它包含 读取数据，数据加一，写回数据 三个操作。

好的现在言归正传，回到我们的正文话题来，为什么输出结果会超出预期呢？

某个时刻 counter = 9999，A 线程经过判断后满足条件，执行 counter++
此时 B 线程跳出来了，因为 ++ 操作是非原子的，所以此时 B 线程在内存中读取的 counter = 9999
同样符合判断条件执行 counter++

所以总结一句话 是因为 counter 变量的递增操作没有在多线程环境中被正确地同步。

1.3 竞争的危害以及解决方案

通过实例，大家可以很明显的感觉到竞争会引起 数据不一致问题。解决线程竞争包含很多方法，这篇文章中，我们将介绍线程互斥的互斥锁方案。

2. 线程互斥 --- 互斥锁

在进入主题之前，请先记住三个概念：

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
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

2.1 互斥锁的概念

互斥锁是一种 保护共享资源不被多个线程同时访问的机制。它通过加锁和解锁操作来控制对共享资源的访问权限。确保在同一时间内，只有一个线程能够访问特定的资源或执行特定的代码段，从而保护共享数据的一致性和完整性。

2.2 互斥锁的使用

锁包含全局的，局部的，在这里我们使用全局的锁，他的初始化更为方便，并且不需要手动释放资源，局部的锁需要我们手动释放资源。

锁的使用步骤：

初始化锁：pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 在这里我们初始化了一把全局的锁
对 临界区 上锁， pthread_mutex_lock(&mtx); ，保证同一时间只能有一个线程访问临界资源,
访问完毕，对 临界区 解锁， pthread_mutex_unlock(&mtx); ，保证下一个线程可以访问资源

改动的部分很少，现在就只展示有改动的地方：

cpp 复制代码

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 互斥锁初始化

void *incrementCounter(void *)
{
    while (true)
    {
    	pthread_mutex_lock(&mtx); // 锁定互斥锁
        if(counter <= numIncrements)
        {
            counter++;
            pthread_mutex_unlock(&mtx); // 解锁互斥锁
        }
        else
        {
            break;
            pthread_mutex_unlock(&mtx); // 解锁互斥锁
        }
    }

    return nullptr;
}

再次运行我们的程序：

不管运行多少次，我们程序的输出值都符合我们的预期！

在这里使用互斥锁一定要注意一点，尽可能将互斥锁的持有时间缩小到必要的最小范围内。例如，只在需要保护共享资源的代码段中持有锁，其他代码不应在持锁的情况下执行，这样才能有更好的并发性能！ 就比如，如果我在这里稍微扩大一点锁的范围：

cpp 复制代码

void *incrementCounter(void *)
{
	pthread_mutex_lock(&mtx); // 锁定互斥锁
    while (true)
    {
        if(counter <= numIncrements)
        {
            counter++;
            pthread_mutex_unlock(&mtx); // 解锁互斥锁
        }
        else
        {
            break;
            pthread_mutex_unlock(&mtx); // 解锁互斥锁
        }
    }

    return nullptr;
}

那这里完全就是一个线程揽下了所有的活，其他线程就在外面一直阻塞，丢失了并发性！

2.3 互斥锁的底层实现

我们首先查看该锁结构体的定义：

我们发现，他的成员变量的一个结构体中包含一个变量叫做 __lock 该变量是关键！

在我们申请锁使用锁的时候，所有线程都是使用一把锁（同一个结构体变量）！有了这些知识铺垫，现在我们可以开始正式介绍怎么上锁了，解锁了。

我们需要理解一下这段代码逻辑：

上锁的过程

首先将寄存器 %al 的值置为 0
将锁结构体中的 __lock 和 %al 的值做交换（该操作为原子操作，不会被中断）
如果交换后 %al 的值为 1 ，则上锁成功，退出该函数，执行临界区的代码
反之，则被阻塞，等待唤醒

所以同一时间，只有一个线程可以访问临界区的代码！

解锁的过程

首先将寄存器 __lock 的值置为 1
唤醒所有被阻塞的进程
返回退出

模拟互斥过程

如果大家看完还有一点懵的话，我们可以使用两个线程 A，B模拟一下。现在两个线程都想要访问临界区的代码，A 比 B 快一丢丢（具体谁更快一点是不确定的），接触到 lock 函数，首先将寄存器 %al 的值置为 0，再将 __lock 和 %al 的值做了交换，现在 %al = 1, __lock = 0，A 美滋滋的打开了去临界区的门，并把门关上了。B 也把 __lock 和 %al 的值做了交换，但是此时 %al = 0, __lock = 0，好了 B 就被一直阻塞（门口排队），等待 A 开门（执行完毕退出，并且放回了钥匙 1）。

3. 总结

在这篇文章中，我们介绍了多线程竞争以及解决的其中一个方案 --- 互斥锁，还讲解了互斥锁的实现原理，希望大家有所收获！