Linux：线程同步与互斥

目录

1.线程互斥

1.1进程线程间的互斥相关背景概念

1.2互斥量mutex

1.3互斥量实现原理探究

2.线程同步

2.1条件变量

2.2同步概念与竞态条件

2.3条件变量函数

[2.4为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?](#2.4为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?)

2.5条件变量使用规范

---

1.线程互斥

1.1进程线程间的互斥相关背景概念

• 临界资源：被多个线程共享访问的资源称为临界资源

• 临界区：线程中访问临界资源的那部分代码区域

• 互斥：确保同一时间仅有一个线程能进入临界区访问临界资源，从而实现对临界资源的保护

• 原子性：指不可被中断的完整操作，该操作只有完成或未完成两种状态

1.2互斥量mutex

• 通常情况下，线程使用的数据都是局部变量，这些变量的地址空间位于线程栈内，属于单个线程独有，其他线程无法访问这些变量。

• 但在某些情况下，需要在多个线程间共享变量，这类变量被称为共享变量。通过共享数据的机制，可以实现线程间的交互。

• 当多个线程并发操作共享变量时，可能会引发一些问题。

操作共享变量会有问题的售票系统代码：

执行结果：

（注意gcc编译时需链接库文件-lpthread，否则pthread库函数使用不了）

此时我们可以注意到上述票出现了-1和-2的情况！！！！！！！！

要解决以上问题，需要做到三点：

• 互斥性：临界区的执行必须保持独占性，同一时间仅允许一个线程访问。

• 竞争处理：当多个线程同时请求进入空闲临界区时，系统需确保仅有一个线程获得执行权限。

• 非阻塞性：线程在非临界区执行时，不得妨碍其他线程正常进入临界区。

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。

注意：

-- ticket 操作本⾝就不是⼀个原⼦操作

-- 该操作并非原子操作，实际由三条汇编指令组成：

1. 加载(load) ：将共享变量ticket从内存读取到寄存器中
2. 更新(update)：对寄存器中的值执行减1操作
3. 存储(store) ：将寄存器中的新值写回ticket的内存地址

（1）互斥量的接口

初始化互斥量

初始化互斥量有两种方法：

• 方法一：静态分配：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

• 方法2：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：NULL

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)；

互斥量加锁和解锁

 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

返回值:成功返回0,失败返回错误号

调⽤ pthread_ lock 时，可能会遇到以下情况:

• 当互斥量处于未锁定状态时，该函数会成功锁定互斥量并返回成功状态

• 若调用函数时出现以下情况：

• 其他线程已锁定该互斥量
• 存在多个线程同时申请互斥量但未竞争成功 则pthread_lock调用将进入阻塞状态（执行流被挂起），直到互斥量被解锁

改进上面的售票系统:

执行结果：

发现现在售票系统变成正常！！！！！

1.3互斥量实现原理探究

• 通过上述示例可以看出，单纯的i++或++i操作都不是原子性的，可能引发数据一致性问题。

• 为实现互斥锁操作，多数体系结构提供了swap或exchange指令。该指令用于交换寄存器与内存单元的数据，由于是单条指令，能够保证原子性。即便在多处理器平台上，内存访问存在先后顺序，当某个处理器执行交换指令时，其他处理器的交换指令必须等待总线周期完成。现对lock和unlock的伪代码进行调整如下：

2.线程同步

2.1条件变量

• 当一个线程以互斥方式访问某个变量时，有时会发现由于其他线程尚未改变状态，自己无法进行任何有效操作。

• 例如，某线程访问队列时若发现队列为空，就必须等待，直到其他线程向队列中添加新元素。这种场景正是使用条件变量的典型情况。

注意：

条件变量通常需要配合互斥锁一起使用。

2.2同步概念与竞态条件

• 同步：在保障数据安全的基础上，通过协调线程访问临界资源的顺序来有效预防饥饿问题，这一机制称为同步。

• 竞态条件：指由于时序问题引发的程序异常现象。在多线程环境下，这种因执行顺序不确定性导致的问题尤为常见。

2.3条件变量函数

初始化

 int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t 
*restrict attr);

参数：cond：要初始化的条件变量
attr：NULL

销毁

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

等待条件满足

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict 
mutex);

参数：cond：要在这个条件变量上等待
mutex：互斥量

唤醒等待

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

简单案例：（来加强我们对条件变量的理解）

• 首先使用PTHREAD_COND/MUTEX_INITIALIZER进行初步测试，暂时忽略其他实现细节

执行结果：

线程按序打印的现象源于其默认在同一个条件变量下等待。每次唤醒操作会优先处理等待队列的首个线程，该线程完成打印任务后会重新进入队列尾部等待。这种机制形成了循环调度的效果。

2.4为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?

• 条件等待是线程间同步的关键机制。单独线程持续等待条件满足是无意义的，必须由其他线程修改共享变量来触发条件变化，并及时通知等待线程。

• 条件的满足必然涉及共享数据变更，因此必须通过互斥锁保护。缺乏互斥锁将无法安全地访问和修改共享数据。

• 按照上⾯的说法，我们设计出如下的代码：先上锁，发现条件不满⾜，解锁，然后等待在条件变 量上不就行了，如下代码：

• 解锁和等待操作必须保持原子性，否则可能出现线程永久阻塞的问题。具体而言，如果在解锁之后、pthread_cond_wait调用之前，其他线程获取了互斥量并发送了信号（此时条件已满足），pthread_cond_wait将无法接收到该信号，从而导致线程持续阻塞。因此，这两个操作必须作为一个不可分割的原子操作执行。

• int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); 该函数执行时会首先检查条件变量是否为0：

• 若条件量为0，则执行以下操作：
  1. 释放互斥锁
  2. 进入等待状态
• 当函数返回时：
  1. 重新获取互斥锁
  2. 将条件量设置为1

2.5条件变量使用规范

•等待条件变量

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）
        pthread_cond_wait(cond, mutex);

修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);

•给条件发送信号代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);