【 linux 】线程互斥与同步

[1. 线程本质](#1. 线程本质)

[2. 线程互斥](#2. 线程互斥)

[2.1 信号量](#2.1 信号量)

[2.2 认识锁的接口](#2.2 认识锁的接口)

[2.3 理解锁](#2.3 理解锁)

3.线程同步

[3.1 条件变量](#3.1 条件变量)

1. 线程本质

在用户层，封装轻量级进程，形成原生线程库pthread库，是动态库也是ELF库，动态库需要加载到内存。线程的概念是在库中定义的，那在库中就一定有多个创建好的线程，库当然也要管理线程：先描述，再组织

bash 复制代码

struct tcb <-- pthread_create
{
    线程状态
    线程id
    线程独立的栈结构
    线程栈大小
    ...
}

2. 线程互斥

先区分几组概念

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，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

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

2.1 信号量

本质是一个计数器，用来表明临界资源中资源的数量。可以用电影院买票来理解，想访问临界资源都得先买票，进程访问临界资源，先申请信号量，本质是对资源的预定机制。信号量本身就是共享资源，信号量只有0和1两态的信号量，叫做二元信号量，也就是互斥

数据不一致现象

bash 复制代码

int ticket=100;

void* Routine(void* args)
{
 char* id=(char*)args;
 while(1)
{
    if(ticket>0)
    {

        usleep(1000);
        printf("%s sells ticket:%d",s,id);
        ticket--;
    }
    else break;
}

    return nullptr;
}

可以看到票数减到负数

ticket全局资源没有加保护，就会产生并发问题，线程安全问题。需要加锁来解决

2.2 认识锁的接口

全局：pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

局部：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

申请锁，释放锁：int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

竞争申请锁，多线程都得先看到锁，锁本身就是临界资源!!申请锁的过程，必须是原子的

失败:阻塞挂起申请执行流

成功，继续向后运行，访问临界区代码，访问临界资源

锁提供的能力的本质:执行临界区代码由并行转换成为串行

对临界资源的保护：本质就是用锁，对临界区代码进行保护

可以想象成自习室

加锁之后，临界区代码是允许线程切换的。但是：因为我当前线程，并没有释放锁，我是持有锁被切换的，即便我不在!其他线程也得等我回来执行完代码，释放锁，其他线程才能展开锁的竞争，进入临界区

2.3 理解锁

1.硬件级实现：关闭时钟中断

2.软件级实现：为了实现互斥锁操作.大多数体系结构都提供了swap或exchange指令,该指令的作用是把寄存器和内存单无的数据相交换

如果把一个变量的内容，交换到CPU寄存器内部，本质是:把该变量的内容，获取到当前执行流的硬件上下文中，当前CPU寄存器的硬件上下文(其实就是各个寄存器的内容)属于:进程/线程私有的!!!!!!我们用swap，exchange将内存中的变量，交换到CPU的寄存器中:本质是当前线程/进程，在获取锁，因为是交换，不是拷贝!!!，所以1只有一份!!，所以，谁申请到，谁持有锁!!

3.线程同步

锁的技术也带来了新的问题，如果一个线程高频的申请锁，没有做有效的动作，其他线程又申请不到就会产生线程饥饿问题。为了解决线程饥饿就需要制定新的方案：

1.不能立即申请第二次

2.外边的人，进行排队，退出的人，必须跑到队列的尾部，进行二次申请

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资源!!：

线程同步!!

3.1 条件变量

当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量

举个放苹果的例子：

接口

#include <pthread.h>

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t)*cond);

int pthread cond init(pthread cond t *restrict cond, const pthread condattr t *restrict attr);

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

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

在指定的条件变量下等待

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);唤醒在指定条件变量下等待的所有的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);唤醒在该条件变量下等待的一个线程

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