Linux下的系统编程——线程同步（十三）

前言：

在多线程编程中，如果多个线程同时访问和修改共享资源，可能会产生竞争条件和数据不一致的问题。同步机制用于协调线程之间的访问和操作，确保数据的正确性和一致性。为了避免多个线程同时访问和操作共享资源导致的问题，可以使用互斥锁（mutex）来实现线程的互斥访问。互斥锁可以保证同一时间只有一个线程访问共享资源、条件变量用于线程之间的通信和同步。一个线程可以等待某个条件成立，而其他线程可以通过发送信号来改变条件变量的状态，从而唤醒等待的线程。读写锁是一种特殊的锁，用于控制对共享资源的读取和写入。多个线程可以同时进行读操作，但只能有一个线程进行写操作，以确保数据的一致性。

一、同步概念：

1.线程同步：

2.数据混乱原因：

mutex-toc" style="margin-left:0px;">二、互斥量 mutex

1.线程同步与锁：

2.锁的使用注意事项

3.借助互斥锁管理共享数据实现同步

（1）不加锁：

mutex%EF%BC%9A-toc" style="margin-left:80px;">（2）加mutex：

mutex(%E4%BA%92%E6%96%A5%E9%87%8F%E3%80%81%E4%BA%92%E6%96%A5%E9%94%81)%E4%B8%80%E8%88%AC%E6%AD%A5%E9%AA%A4%EF%BC%9A-toc" style="margin-left:120px;"> 1）使用mutex(互斥量、互斥锁)一般步骤：

2）初始化互斥量：

3）*注意事项：

（3）加锁步骤测试：

三、读写锁：

1.读写锁函数原型：

2.读写锁原理：

四、**死锁：

五、条件变量

1.初始化条件变量：

2.阻塞等待条件：

3.能够借助条件变量，完成生成者消费者

（1）模型分析

（2）代码实现

（3）运行效果编辑

（4）一个生产者，多个消费者

4.条件变量的优点：

六、信号量：

1.基本操作

2.生产者消费者信号量模型

一、同步概念：

所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等

而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行

1.线程同步：

协同步调，对公共区域数据按序访问。防止数据混乱，产生与时间有关的错误。

因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步

2.数据混乱原因：

1. 资源共享（独享资源则不会）

2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）

3. 线程间缺乏必要的同步机制。

以上 3 点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。

mutex" style="background-color:transparent;">二、互斥量 mutex

Linux 中提供一把互斥锁 mutex（也称之为互斥量）。

每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

资源还是共享的，线程间也还是竞争的，但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

1.线程同步与锁：

“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。

2.锁的使用注意事项

建议锁！对公共数据进行保护。所有线程【应该】在访问公共数据前先拿锁再访问。但锁本身不具备强制性。

3.借助互斥锁管理共享数据实现同步

（1）不加锁：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));

    while (1) {

        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);	//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误
        printf("world\n");
        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    while (1) {

        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD\n");
        sleep(rand() % 3);

    }
    pthread_join(tid, NULL);

    return 0;
}



/*线程之间共享资源stdout*/

子父线程相互争夺cpu，出现数据混淆现象：

mutex%EF%BC%9A">（2）加mutex：

mutex(%E4%BA%92%E6%96%A5%E9%87%8F%E3%80%81%E4%BA%92%E6%96%A5%E9%94%81)%E4%B8%80%E8%88%AC%E6%AD%A5%E9%AA%A4%EF%BC%9A"> 1）使用mutex(互斥量、互斥锁)一般步骤：

pthread_mutex_t 类型。（本质是结构体）

1. pthread_mutex_t lock; 创建锁

2 pthread_mutex_init; 初始化 1

3. pthread_mutex_lock;加锁 1-- --> 0

4. 访问共享数据（stdout)

5. pthrad_mutext_unlock();解锁 0++ --> 1

6. pthead_mutex_destroy；销毁锁

2）初始化互斥量：

pthread_mutex_t mutex;

1. pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 动态初始化。

2. pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 静态初始化。

**3）*注意事项：**

尽量保证锁的粒度， 越小越好。（访问共享数据前加锁。访问结束【立即】解锁。）

互斥锁，本质是结构体。我们可以看成整数。 初值为 1。（pthread_mutex_init() 函数调用成功。）

加锁：--操作，阻塞线程。

解锁：++操作，换醒阻塞在锁上的线程。

try锁： 尝试加锁，成功--。失败，返回。同时设置错误号 EBUSY

restrict关键字：用来限定指针变量。被该关键字限定的指针变量所指向的内存操作，必须由本指针完成

（3）加锁步骤测试：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t mutex;    //定义一把互斥锁，可以想象为一个int

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));

    while (1) {
        
        pthread_mutex_lock(&mutex);    //加锁  可以想象成锁--  （1-------  -->0）
        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);	//模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误
        printf("world\n");
        pthread_mutex_unlock(&mutex);    //解锁 可以想象为锁++  （0-------  -->1）

        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));

    int ret = pthread_mutex_init(&mutex,NULL);   //初始化互斥锁 可以认为锁的值为1
    if(ret != 0){
        fprintf(stderr,"mutex init error: %s\n",strerror(ret));
        exit(1);
    }
    
    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    while (1) {

        pthread_mutex_lock(&mutex);     //加锁  可以想象成锁--  （1-------  -->0）
        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD\n");

        pthread_mutex_unlock(&mutex);    //解锁 可以想象为锁++  （0-------  -->1）
        sleep(rand() % 3);

    }
    pthread_join(tid, NULL);
    
    pthread_mutex_destroy(&mutex);    //销毁互斥锁 
    return 0;
}

三、读写锁：

1.读写锁函数原型：

锁只有一把。以读方式给数据加锁——读锁。以写方式给数据加锁——写锁。

读共享，写独占

写锁优先级高

相较于互斥量而言，当读线程多的时候，提高访问效率

pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL); //初始化读写锁

pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); try //读模式加锁

pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); try //写模式加锁

pthread_rwlock_unlock(&rwlock); //解锁

pthread_rwlock_destroy(&rwlock);· //销毁读写锁

2.读写锁原理：

同时有多个线程对同一全局数据读、写操作


/* 3个线程不定时 "写" 全局资源，5个线程不定时 "读" 同一全局资源 */

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int counter;                          //全局资源
pthread_rwlock_t rwlock;              //全局的读写锁

void *th_write(void *arg)
{
    int t;
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        t = counter;                    // 保存写之前的值
        usleep(1000);

        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);    //以写模式加锁，写独占
        printf("=====write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d\n", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);    //解锁

        usleep(9000);               // 给 r 锁提供机会
    }
    return NULL;
}

void *th_read(void *arg)
{
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);    //读线程间，读锁共享
        printf("-----------------read %d: %lu: %d\n", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);    //解锁

        usleep(2000);                // 给写锁提供机会
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    int i;
    pthread_t tid[8];    //设置一个8个线程的数组

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);    //自定义读写锁

    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);     //创建3个写线程

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);    //创建5个读线程

    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);             //回收8个线程

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);            //释放读写琐

    return 0;
}

四、死锁：**

1.发生死锁原因：

是使用锁不恰当导致的现象：

1. 对一个锁反复lock。

2. 两个线程，各自持有一把锁，请求另一把。

2.避免死锁方法：

1.保证资源获取顺序，要求每个线程获取资源的顺序一致

· 2.当得不到所有所需资源时，放弃已经获得的资源，等待

五、*条件变量

本身不是锁！但是通常结合锁来使用。 mutex

pthread_cond_t cond;

1.初始化条件变量：

1. pthread_cond_init(&cond, NULL); 动态初始化。

2. pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER; 静态初始化。

2.阻塞等待条件：

pthread_cond_wait(&cond, &mutex);

作用：

1） 阻塞等待条件变量满足

2） 解锁已经加锁成功的信号量 （相当于 pthread_mutex_unlock(&mutex)）

3) 当条件满足，函数返回时，重新加锁信号量 （相当于， pthread_mutex_lock(&mutex);）

1) 和 2）俩步为一个原子操作

pthread_cond_signal(): 唤醒阻塞在条件变量上的 (至少)一个线程。

pthread_cond_broadcast()： 唤醒阻塞在条件变量上的所有线程。

3.能够借助条件变量，完成生成者消费者

（1）模型分析

（2）代码实现

/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};

struct msg *head;

/* 静态初始化 一个条件变量 和 一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)//消费者函数
{
    struct msg *mp;

    for (;;) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);//发生阻塞
        }
        mp = head;      
        head = mp->next;                 //模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("-Consume %lu---%d\n", pthread_self(), mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 5);
    }
}

void *producer(void *p)//生产者函数
{
    struct msg *mp;

    for (;;) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce ---------------------%d\n", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的 一个线程唤醒
        sleep(rand() % 5);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);//创建生产者
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);//创建消费者

    pthread_join(pid, NULL);//回收生产者
    pthread_join(cid, NULL);//回收消费者

    return 0;
}

（3）运行效果

（4）一个生产者，多个消费者

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

void err_thread(int ret, char *str)
{
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "%s:%s\n", str, strerror(ret));
        pthread_exit(NULL);
    }
}

struct msg {
    int num;
    struct msg *next;
};

struct msg *head;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;      // 定义/初始化一个互斥量
pthread_cond_t has_data = PTHREAD_COND_INITIALIZER;      // 定义/初始化一个条件变量

void *produser(void *arg)
{
    while (1) {
        struct msg *mp = malloc(sizeof(struct msg));

        mp->num = rand() % 1000 + 1;                        // 模拟生产一个数据`
        printf("--produce %d\n", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&mutex);                         // 加锁 互斥量
        mp->next = head;                                    // 写公共区域
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);                       // 解锁 互斥量

        pthread_cond_signal(&has_data);                     // 唤醒阻塞在条件变量 has_data上的线程.

        sleep(rand() % 3);
    }

    return NULL;
}

void *consumer(void *arg)
{
    while (1) {
        struct msg *mp;

        pthread_mutex_lock(&mutex);                         // 加锁 互斥量
        while (head == NULL) {
            pthread_cond_wait(&has_data, &mutex);           // 阻塞等待条件变量, 解锁
        }                                                   // pthread_cond_wait 返回时, 重新加锁 mutex

        mp = head;
        head = mp->next;

        pthread_mutex_unlock(&mutex);                       // 解锁 互斥量
        printf("---------consumer id: %lu :%d\n", pthread_self(), mp->num);

        free(mp);
        sleep(rand()%3);
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int ret;
    pthread_t pid, cid;

    srand(time(NULL));

    ret = pthread_create(&pid, NULL, produser, NULL);           // 生产者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create produser error");

    ret = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);           // 消费者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create consuer error");
    ret = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);           // 消费者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create consuer error");
    ret = pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);           // 消费者
    if (ret != 0) 
        err_thread(ret, "pthread_create consuer error");

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    return 0;
}

4.条件变量的优点：

相较于 mutex 而言，条件变量可以减少竞争。

如直接使用 mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率

六、信号量：

1.基本操作

应用于线程、进程间同步。

相当于 初始化值为 N 的互斥量。 N值，表示可以同时访问共享数据区的线程数。

函数：
sem_t sem; 定义类型。

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);//初始化信号量

参数：
sem：信号量

pshared： 0：用于线程间同步

1： 用于进程间同步

value： N值：（指定同时访问的线程数）

sem_destroy(); //销毁信号量

sem_wait(); 一次调用，做一次-- 操作，当信号量的值为 0 时，再次 -- 就会阻塞。（对比 pthread_mutex_lock）//加锁

sem_post(); 一次调用，做一次++ 操作. 当信号量的值为 N 时, 再次 ++ 就会阻塞。（对比 pthread_mutex_unlock）//解锁

注意：信号量的初值，决定了占用信号量的线程个数

2.生产者消费者信号量模型

使用信号量完成线程间同步，模拟生产者，消费者问题

/*信号量实现 生产者 消费者问题*/

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM 5               

int queue[NUM];                                     //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number;                 //空格子信号量, 产品信号量

void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&blank_number);                    //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;               //生产一个产品
        printf("----Produce---%d\n", queue[i]);        
        sem_post(&product_number);                  //将产品数++

        i = (i+1) % NUM;                            //借助下标实现环形
        sleep(rand()%1);
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    int i = 0;

    while (1) {
        sem_wait(&product_number);                  //消费者将产品数--,为0则阻塞等待
        printf("-Consume---%d\n", queue[i]);
        queue[i] = 0;                               //消费一个产品 
        sem_post(&blank_number);                    //消费掉以后,将空格子数++

        i = (i+1) % NUM;
        sleep(rand()%3);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, 0, NUM);                //初始化空格子信号量为5, 线程间共享 -- 0
    sem_init(&product_number, 0, 0);                //产品数为0

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);    //产生生产者
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);    //产生消费者

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);        //回收生产者
    sem_destroy(&product_number);      //回收消费者

    return 0;
}