线程同步与互斥

一、进程线程间互斥背景相关概念：

共享资源

临界资源：多线程执行流被保护的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。

多个线程向公共资源写入数据，会发生数据不同步的情况，所以需要进程线程同步。

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。

互斥量mutex：

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：

比如数据不一致问题：

模拟抢票：

cpp 复制代码

int ticket = 100;

void *routine(void *args)
{
    char *id = (char *)args;
    while(1)
    {
        if(ticket>0)
        {
            usleep(1000);//模拟抢票时间
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);//抢到票
            ticket--;//票数--
        }
        else
            break;
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t t1,t2,t3,t4;
    pthread_create(&t1, nullptr, routine, (void *)"thread-l");
    pthread_create(&t2, nullptr, routine, (void *)"thread-l");
    pthread_create(&t3, nullptr, routine, (void *)"thread-l");
    pthread_create(&t4, nullptr, routine, (void *)"thread-l");

    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2, nullptr);
    pthread_join(t3, nullptr);
    pthread_join(t4, nullptr);
    std::cout << "新线程被分离" << std::endl;

    return 0;
}

票竟然变成负数，不符合实际情况。

ticket载入CPU的寄存器当中，CPU再去读取寄存器做计算。

减完之后的值再写回内存。

执行第二步时，线程切换，线程A保存临时数据，CPU内的数据可以被覆盖了，线程B去做--，减到一半又切换，变成A的线程，线程A的值写入内存。

全局资源没有保护可能会发生并发问题。

二、解决这个问题（锁）

1.代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。

2.如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且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。

3.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。

互斥锁：

竞争申请锁，线程就要先看到锁，成功继续向后运行，访问临界资源，失败，阻塞挂起申请执行流。

锁提供的能力：执行临界区的代码由并行转为串行。

cpp 复制代码

int ticket = 100;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 对锁进行初始化

void *routine(void *args)
{
    char *id = (char *)args;
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock); // 加锁
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);                               // 模拟抢票时间
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket); // 抢到票
            ticket--;                                   // 票数--
            pthread_mutex_unlock(&lock);                // 解锁
            // if里面就是临界区
        }
        else
            break;
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t t1, t2, t3, t4;
    pthread_create(&t1, nullptr, routine, (void *)"thread-l");
    pthread_create(&t2, nullptr, routine, (void *)"thread-l");
    pthread_create(&t3, nullptr, routine, (void *)"thread-l");
    pthread_create(&t4, nullptr, routine, (void *)"thread-l");

    pthread_join(t1, nullptr);
    pthread_join(t2, nullptr);
    pthread_join(t3, nullptr);
    pthread_join(t4, nullptr);
    return 0;
}

三、理解锁：

对临界资源保护，本质是用锁对临界区的代码进行保护

如果有线程不遵守？

加锁之后是否允许线程切换？允许。但是持有锁被切换，其他线程得等该线程执行完代码，释放锁，其他线程才能展开对锁的竞争，执行期间不会被打扰。

寄存器硬件只有一套，但数据可以有多份，当前执行流的上下文，把一个变量的内容交换到CPU寄存器内部本质是把数据获取到当前执行流的上下文。

谁有mutex的1谁就持有锁，申请锁，寄存器al先置0，然后mutex和al的值交换，al的值是1，就申请锁成功，如果线程切换，1会被带走。

线程同步：解锁后不能立即申请第二次锁，外面的线程进行排队，退出的线程必须跑到队尾去申请锁。在保证自习室安全的前提下，让所有的执行流访问临界资源按照一定的顺序进行访问。这是线程同步。