Linux线程同步—竞态条件和互斥锁(C语言)

BeyondESH2024-09-20 9:02

线程同步---竞态条件和锁

1.竞态条件

线程同步是并发编程中的一个重要概念，它涉及到多个线程之间如何协调对共享资源的访问，以确保程序的正确性和效率。竞态条件和锁是线程同步中两个关键的概念，它们之间有着紧密的联系和区别。

1.1定义

  • 当多个线程并发访问和修改同一个共享资源（如全局变量）时，如果没有适当的同步 措施，就会遇到线程同步问题。这种情况下，程序最终的结果依赖于线程执行的具体时序， 导致了竞态条件。
  • 竞态条件（race condition）是一种特定的线程同步问题，指的是两个或者以上进 程或者线程并发执行时，其最终的结果依赖于进程或者线程执行的精确时序。它会导致程 序的行为和输出超出预期，因为共享资源的最终状态取决于线程执行的顺序和时机。为了 确保程序执行结果的正确性和预期一致，需要通过适当的线程同步机制来避免竞态条件。

1.2锁

锁是一种同步机制，用于在并发环境中对共享资源进行互斥访问，确保同一时间只有一个线程能够访问共享资源，从而避免竞态条件和数据不一致的问题。常见的锁包括互斥锁（Mutex）、读写锁（RWMutex）等。

1.2.1锁的作用
  1. 互斥访问：通过锁机制，可以确保在任意时刻只有一个线程能够访问共享资源，从而避免多个线程同时修改资源导致的冲突和数据不一致。
  2. 保护临界区：在并发编程中，将访问共享资源的代码段称为临界区。通过加锁，可以保护临界区内的代码不被多个线程同时执行，从而确保数据的一致性和完整性。
1.2.2锁的使用
  1. 加锁：在访问共享资源之前，线程需要获取锁。如果锁已被其他线程持有，则当前线程需要等待直到锁被释放。
  2. 访问资源：在成功获取锁之后，线程可以安全地访问共享资源。
  3. 释放锁：在访问完共享资源后，线程需要释放锁，以便其他线程可以获取锁并访问资源。

1.3竞态条件和锁的关系

竞态条件是并发编程中需要避免的问题，而锁是解决竞态条件的一种有效手段。通过加锁机制，可以确保对共享资源的访问是有序的、互斥的，从而避免竞态条件的发生。然而，锁也会带来一定的性能开销，包括锁的获取和释放、线程的调度等。因此，在设计并发程序时，需要权衡竞态条件的风险和锁的开销，选择合适的同步机制来平衡正确性和性能。

2.竞态案例

下面的程序没有合理控制线程的并发访问，可能会引发竞态条件。

cpp 复制代码 
//
// Created by root on 2024/9/19.
//
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define THREAD_COUNT 20000

void *add_thread(void *argv){
    int *num=(int *)argv;
    (*num)++;
    return (void *)0;
}

int main(int argc,char *argv[]){
    pthread_t pid[THREAD_COUNT];
    int num=0;
    for (size_t i = 0; i <THREAD_COUNT ; ++i) {
        pthread_create(pid+i,NULL,add_thread,&num);
    }

    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i) {
        pthread_join(pid[i],NULL);
    }

    printf("%d\n",num);
    return 0;
}

可以看到 20000 个线程对 num 的累加结果是不确定的，没有达到我们的预期值 20000。 这是因为线程之间出现了竞争，不同线程对于 num 的累加操作可能重叠，这就会导致多次 累加操作可能只生效一次。

3.如何避免竞态条件

3.1方法

  1. 避免多线程写入一个地址：其可以通过逻辑上组织业务逻辑实现。
  2. 给资源加锁 ：使同一时间操作特定资源的线程只有一个。想解决竞争问题，我们需要互斥锁------mutex

3.2锁机制

锁主要用于互斥，即在同一时间只允许一个执行单元（进程或线程）访问共享资源。 包括上面的互斥锁在内，常见的锁机制共有三种：

  1. 互斥锁（Mutex）：保证同一时刻只有一个线程可以执行临界区的代码。
  2. 读写锁（Reader/Writer Locks）：允许多个读者同时读共享数据，但写者的访问 是互斥的。
  3. 自旋锁（Spinlocks）：在获取锁之前，线程在循环中忙等待，适用于锁持有时间 非常短的场景，一般是 Linux 内核使用。

4.互斥锁

4.1pthread_mutex_t

4.1.1定义

pthread_mutex_t 是一个定义在头文件中的联合体类型的别名， 其声明如下。

cpp 复制代码 
typedef union
{ 
 struct __pthread_mutex_s __data; 
 char __size[__SIZEOF_PTHREAD_MUTEX_T];
 long int __align; 
} pthread_mutex_t;

​ pthread_mutex_t 用作线程之间的互斥锁。互斥锁是一种同步机制，用来控制对共享 资源的访问。在任何时刻，最多只能有一个线程持有特定的互斥锁。如果一个线程试图获 取一个已经被其他线程持有的锁，那么请求锁的线程将被阻塞，直到锁被释放

4.2Mutex的作用

  • 保护共享数据，避免同时被多个线程访问导致的数据不一致问题。
  • 实现线程间的同步，确保线程之间对共享资源的访问按照预定的顺序进行。

4.3流程

  1. 初始化（pthread_mutex_init）：创建互斥锁并初始化。
  2. 锁定（pthread_mutex_lock）：获取互斥锁。如果锁已经被其他线程持有，调用线程将阻塞。
  3. 尝试锁定（pthread_mutex_trylock）：尝试获取互斥锁。如果锁已被持有，立即返回而不是阻塞。
  4. 解锁（pthread_mutex_unlock）：释放互斥锁，使其可被其他线程获取。
  5. 销毁（pthread_mutex_destroy）：清理互斥锁资源。

4.4相关函数

4.4.1pthread_mutex_lock
cpp 复制代码 
#include <pthread.h>
/**
* @brief 获取锁，如果此时锁被占则阻塞
* 
* @param mutex 锁
* @return int 获取锁结果
*/
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

​ 该函数用于锁定指定的互斥锁。如果互斥锁已经被其他线程锁定，调用此函数的线程 将会被阻塞，直到互斥锁变为可用状态。这意味着如果另一个线程持有锁，当前线程将等 待直到锁被释放。

​ 成功时返回 0；失败时返回错误码。

4.4.2pthread_mutex_trylock
cpp 复制代码 
/**
* @brief 非阻塞式获取锁，如果锁此时被占则返回 EBUSY
* 
* @param mutex 锁
* @return int 获取锁结果
*/
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

​ 该函数尝试锁定指定的互斥锁。与 pthread_mutex_lock 不同，如果互斥锁已经被其 他线程锁定，pthread_mutex_trylock 不会阻塞调用线程，而是立即返回一个错误码 （EBUSY）。

​ 如果成功锁定互斥锁，则返回 0；如果互斥锁已被其他线程锁定，返回 EBUSY；其他 错误情况返回不同的错误码。

4.4.3pthread_mutex_unlock
cpp 复制代码 
/**
* @brief 释放锁
* 
* @param mutex 锁
* @return int 释放锁结果
*/
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

​ 该函数用于解锁指定的互斥锁。调用线程必须是当前持有互斥锁的线程；否则，解锁 操作可能会失败。

​ 成功时返回 0；失败时返回错误码。

4.4.4pthread_mutex_init

​ pthread_mutex_init 是 POSIX 线程（也称为 pthreads）库中用于初始化互斥锁（mutex）的函数。互斥锁是用于同步线程的工具，它们允许多个线程以受控的方式访问共享资源，以避免数据竞争和其他并发问题。

cpp 复制代码 
#include <pthread.h>  
  
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

  • mutex 指向要初始化的互斥锁对象的指针。这是一个类型为 pthread_mutex_t 的变量，通常在你定义它的时候就被声明为全局或静态变量，以便多个线程可以访问它。

  • attr 是一个指向 pthread_mutexattr_t 类型的指针，用于指定互斥锁的属性。大多数情况下，如果你不需要特殊的互斥锁属性，可以将此参数设置为 NULL，此时互斥锁将使用默认属性进行初始化。

  • 成功时，pthread_mutex_init 返回 0。

  • 出错时，返回错误码。这些错误码可以包括但不限于 EAGAIN（资源暂时不可用，但这不是 pthread_mutex_init 的典型错误）、EINVAL（参数无效，例如 mutex 是一个无效的地址），或 ENOMEM（内存不足，无法初始化互斥锁）。

4.5初始化互斥锁

​ PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 是 POSIX 线程（Pthreads）库中定义的一个宏，用于静态初始化互斥锁（mutex）。这个宏为互斥锁提供了一个初始状态，使其准备好被锁 定和解锁，而不需要在程序运行时显式调用初始化函数。

​ 当我们使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 初始化互斥锁时，实际上是将互斥锁设置 为默认属性和未锁定状态。这种初始化方式适用于简单的同步问题，我们可以通过以下代 码初始化互斥锁。

cpp 复制代码 
static pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

4.6将 mutex 加入线程

4.6.1案例测试

​ 为了保证计算结果的正确性，很显然，我们应阻塞式获取互斥锁，应调用的是 pthread_mutex_lock 函数。共享变量修改完成后，应该释放锁。

cpp 复制代码 
//
// Created by root on 2024/9/19.
//
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define THREAD_COUNT 20000

//初始化互斥锁
static pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *add_thread(void *argv){
    int *num=(int *)argv;
    //加锁，同一时间只有一个线程可以访问
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    (*num)++;
    //解锁
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return (void *)0;
}

int main(int argc,char *argv[]){
    pthread_t pid[THREAD_COUNT];
    int num=0;
    for (size_t i = 0; i <THREAD_COUNT ; ++i) {
        pthread_create(pid+i,NULL,add_thread,&num);
    }

    for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; ++i) {
        pthread_join(pid[i],NULL);
    }

    printf("%d\n",num);
    return 0;
}
4.6.2注意

​ 上述代码中，互斥锁 counter_mutex 并未被显式销毁 ，但这通常不会引起 资源泄露问题。上述程序在所有线程执行完毕后直接结束，进程结束时，操作系统会回收该进程的所有资源，包括内存、打开的文件描述符和互斥锁等。因此即便没有显式销毁互斥锁也不 会有问题。

​ 在某些情况下，确实需要显式销毁互斥锁资源。如果互斥锁是动态分配 的（使用 pthread_mutex_init 函数初始化），或者互斥锁会被跨多个函数或文件使用 ，不再需要时必须显式销毁它。但对于静态初始化，并且在程序结束时不再被使用的互斥锁（上述程 序中的 counter_mutex），显式销毁不是必需的。

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