01. 資源共享問(wèn)題

1.1 多線程并發(fā)訪問(wèn)

例： 初始狀態(tài)：counter=0，線程 1 和 2 各自都執(zhí)行counter++操作

要想對(duì)counter++做修改，在底層被編譯成三條機(jī)器指令：

1. 從內(nèi)存加載counter的值到寄存器（LOAD）
2. 寄存器中的值加1（ADD）
3. 將寄存器的值寫回內(nèi)存（STORE）

假設(shè)counter初始值為0，在兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行的時(shí)候，可能出現(xiàn)下面這種情況。以至于多線程場(chǎng)景中對(duì)全局變量并發(fā)訪問(wèn)不是 100%可靠的。

線程 1 執(zhí)行：

• 從內(nèi)存讀取counter=0到寄存器。
• 寄存器中counter+1=1，未寫回內(nèi)存，就切換到另外一個(gè)線程。

線程 2 執(zhí)行：

• 從內(nèi)存讀取counter=0（因線程 1 未更新內(nèi)存）。
• 寄存器中counter+1=1，寫回內(nèi)存，此時(shí)counter=1。

線程 1 恢復(fù)執(zhí)行：

• 將寄存器中已計(jì)算的1寫回內(nèi)存，覆蓋線程 2 的更新。

最終結(jié)果：counter=1（預(yù)期應(yīng)為 2）。

1.2 臨界區(qū)與臨界資源

• 臨界資源：多線程執(zhí)行流共享的資源就叫做臨界資源
• 臨界區(qū)：每個(gè)線程內(nèi)部，訪問(wèn)臨界資源的代碼，就叫做臨界區(qū)，例如上文中的counter++。
• 互斥：任何時(shí)刻，互斥保證有且只有一個(gè)執(zhí)行流進(jìn)入臨界區(qū)，訪問(wèn)臨界資源，通常對(duì)臨界資源起保護(hù)作用
• 原子性（后面討論如何實(shí)現(xiàn)）：不會(huì)被任何調(diào)度機(jī)制打斷的操作，該操作只有兩態(tài)，要么完成，要么未完成

1.3 鎖的引入

對(duì)于臨界資源訪問(wèn)時(shí)的安全問(wèn)題，也可以通過(guò)加鎖來(lái)保證，實(shí)現(xiàn)多線程間的互斥訪問(wèn)，互斥鎖就是解決多線程并發(fā)訪問(wèn)方法之一。

我們可以在線程1進(jìn)入臨界區(qū)之前加鎖，出臨界區(qū)之后解鎖， 這樣可以確保并發(fā)訪問(wèn)臨界資源時(shí)的線性進(jìn)行，若線程1在對(duì)共享資源進(jìn)行操作時(shí)被切換成線程2，線程2也只能阻塞等待解鎖。

注：

• 加鎖、解鎖是比較耗費(fèi)系統(tǒng)資源的，會(huì)在一定程序上降低程序的運(yùn)行速度
• 加鎖后的代碼是串行化執(zhí)行的，勢(shì)必會(huì)影響多線程場(chǎng)景中的運(yùn)行速度
• 所以為了盡可能的降低影響，加鎖粒度要盡可能的細(xì)

02. 多線程案例

2.1 為什么線程需要互斥？

當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源時(shí)，可能導(dǎo)致競(jìng)態(tài)條件，造成數(shù)據(jù)不一致或程序異常。但有時(shí)候，很多變量都需要在線程間共享，這樣的變量稱為共享變量，可以通過(guò)數(shù)據(jù)的共享，完成線程之間的交互。而多個(gè)線程并發(fā)的操作共享變量，會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。線程互斥機(jī)制確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程能訪問(wèn)共享資源。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int counter = 0;
void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        counter++; // 非原子操作}
    return NULL;}
int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    // 理論結(jié)果為：200000
    printf("Final counter: %d\n", counter); // 實(shí)際輸出通常小于200000
    return 0;
}

在上面代碼里面，我們知道counter是臨界資源，而increment函數(shù)是訪問(wèn)臨界資源的代碼，亦稱為臨界區(qū)。

理想狀態(tài)下是希望兩個(gè)線程分別對(duì)counter加100000次。但是由由于非原子操作和內(nèi)存可見性問(wèn)題，當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這些指令，可能會(huì)出現(xiàn)指令交錯(cuò)，導(dǎo)致最終結(jié)果通常會(huì)小于預(yù)期200000。

要解決以上問(wèn)題，需要做到三點(diǎn)：

• 代碼必須要有互斥行為：當(dāng)代碼進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行時(shí)，不允許其他線程進(jìn)入該臨界區(qū)。
• 如果多個(gè)線程同時(shí)要求執(zhí)行臨界區(qū)的代碼，并且臨界區(qū)沒有線程在執(zhí)行，那么只能允許一個(gè)線程進(jìn)入該臨界區(qū)。
• 如果線程不在臨界區(qū)中執(zhí)行，那么該線程不能阻止其他線程進(jìn)入臨界區(qū)。

要做到這三點(diǎn)，本質(zhì)上就是需要一把鎖。Linux上提供的這把鎖叫互斥量

2.2 線程或進(jìn)程切換時(shí)機(jī)？

1. 時(shí)間片耗盡時(shí)
2. 有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程要調(diào)度時(shí)
3. 通過(guò)sleep，從內(nèi)核返回用戶時(shí)，會(huì)進(jìn)行時(shí)間片是否到達(dá)的檢測(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致切換

如果鎖對(duì)象是全局的或靜態(tài)的，可以用宏：PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化，并且不用我們主動(dòng)destroy；如果鎖對(duì)象是局部的，需要用pthread_mutex_init初始化，用pthread_mutex_destroy釋放。

1. 所有對(duì)資源的保護(hù)，都是對(duì)臨界區(qū)代碼的訪問(wèn)，因?yàn)橘Y源都是通過(guò)代碼訪問(wèn)的。
2. 要保證加鎖的細(xì)粒度。
3. 加鎖就是找到臨界區(qū)，對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行加鎖。

那么相應(yīng)的又有一些問(wèn)題：

• 鎖也是全局的共享資源，誰(shuí)保證鎖的安全？加鎖和解鎖被設(shè)計(jì)為原子的。
• 如果看待鎖？加鎖本質(zhì)就是對(duì)資源的預(yù)定工作，整體使用資源，所以加鎖前先要申請(qǐng)鎖。
• 如果申請(qǐng)鎖的時(shí)候，鎖已經(jīng)被別的線程拿走了怎么辦？其他線程阻塞等待。
• 線程在訪問(wèn)臨界區(qū)的時(shí)候，可不可以被切換？可以，我被切走，其他線程也不能進(jìn)來(lái)，因?yàn)槲易叩臅r(shí)候是帶著鎖走的，保證了原子性。

03. 線程互斥

3.1 互斥鎖操作

有以下特點(diǎn)：

• 最簡(jiǎn)單的同步原語(yǔ)
• 只有"鎖定"和"未鎖定"兩種狀態(tài)
• 同一時(shí)間只允許一個(gè)線程持有鎖

// 初始化（靜態(tài)）
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
// 初始化（動(dòng)態(tài)）
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
// 加鎖/解鎖
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
// 銷毀
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

3.2代碼互斥問(wèn)題優(yōu)化

通過(guò)對(duì)上面代碼進(jìn)行改進(jìn)，我們便可以得到正確的結(jié)果。

細(xì)節(jié): 互斥會(huì)給其他線程帶來(lái)影響

當(dāng)某個(gè)線程持有[鎖資源】 時(shí)，對(duì)于其他線程的有意義的狀態(tài)：在這兩種狀態(tài)的劃分下，確保了多線程并發(fā)訪問(wèn)時(shí)的 原子性

• 鎖被我申請(qǐng)了(其他線程無(wú)法獲取)
• 鎖被我釋放了(其他線程可以獲取鎖)

3.3 互斥鎖原理

lock是原子的，其他線程無(wú)法進(jìn)入。 為了實(shí)現(xiàn)互斥鎖操作，大多數(shù)體系結(jié)構(gòu)都提供了swap或exchange指令，該指令的作用是把寄存器和內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)交換（私有和共享），由于只有一條指令，保證了原子性，即使是多處理器平臺(tái)，訪問(wèn)內(nèi)存的總線周期也有先后，一個(gè)處理器上的交換指令執(zhí)行時(shí)另一個(gè)處理器的交換指令只能等待總線周期。

3.4 多線程封裝

著手編寫一個(gè)小組件: Demo 版線程庫(kù)目標(biāo):對(duì) 原生線程庫(kù) 提供的接口進(jìn)行封裝，進(jìn)一步提高對(duì)線程相關(guān)接口的熟練程度既然是封裝，這里的類成員包括:

• 線程 ID
• 線程名 name
• 線程狀態(tài) status
• 線程回調(diào)函數(shù) fun t
• 傳遞給回調(diào)函數(shù)的參數(shù) args

3.4.1 thread.hpp編寫

#pragma once

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <cassert>

// 參數(shù)、返回值為 void 的函數(shù)類型
typedef void *(*func_t)(void *);
const int num = 1024;
class Thread
{
public:
    Thread(func_t func, void *args = nullptr, int number = 0)
        : _func(func), _args(args)
    {
        // 根據(jù)編號(hào)寫入名字
        char buf[128];
        snprintf(buf, sizeof buf, "thread-%d", num);
        _name = buf;
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, runHelper, this); // this->Thread*
        assert(n == 0);
        (void)n;
    }
    // 回調(diào)方法
    static void *runHelper(void *args)
    {
        Thread *_this = static_cast<Thread *>(args);
        return _this->callback();
    }
    // 獲取 ID
    pthread_t getTID() const
    {
        return _tid;
    }
    // 獲取線程名
    std::string getName() const
    {
        return _name;
    }
    // 啟動(dòng)線程
    void run()
    {
        int ret = pthread_create(&_tid, nullptr, runHelper, this );//this 是一個(gè)指向當(dāng)前類類型的常量指針
        if (ret != 0)
        {
            std::cerr << "create thread fail!" << std::endl;
            exit(1); // 創(chuàng)建線程失敗，直接退出
        }
    }
    // 線程等待
    void join()
    {
        int ret = pthread_join(_tid, nullptr);
        if (ret != 0)
        {
            std::cerr << "thread join fail!" << std::endl;
            exit(1); // 等待失敗，直接退出
        }
    }
    void *callback()
    { // 亦指在外調(diào)用的線程處理函數(shù)，_args與是否返回值有關(guān)
        return _func(_args);
    }

private:
    pthread_t _tid;    // 線程 ID
    std::string _name; // 線程名
    func_t _func;      // 線程回調(diào)函數(shù)
    void *_args;       // 傳遞給回調(diào)函數(shù)的參數(shù)
};

測(cè)試代碼：

#include "thread.hpp"
// 1：線程創(chuàng)建和運(yùn)行
void *basic_task(void *arg){
    int *val = static_cast<int *>(arg);
    std::cout << "線程正在運(yùn)行，初始值為: " << *val << std::endl;
    *val *= 2; // 修改傳入的值
    return nullptr;}
// 2：帶返回值
void *task_with_return(void *arg){
    std::string *msg = new std::string("Hello！");
    return msg;}
int main(){{
        int value = 42;
        Thread t1(basic_task, &value);
        t1.join();
        std::cout << "修改后旳值為: " << value << std::endl; // 應(yīng)該輸出84}
    std::cout << "---------------: " << std::endl;{
        Thread t2(task_with_return);
        void *ret_val = nullptr;
        pthread_join(t2.getTID(), &ret_val); // 直接使用pthread_join獲取返回值
        if (ret_val){
            std::string *msg = static_cast<std::string *>(ret_val);
            std::cout << *msg << std::endl; // 輸出線程返回的消息
            delete msg;                     // 記得釋放內(nèi)存
        }}  return 0;}

結(jié)果如下：

3.5 互斥鎖封裝

我們對(duì)鎖進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單易用的小組件。利用創(chuàng)建對(duì)象時(shí)調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，對(duì)象生命周期結(jié)束時(shí)調(diào)用析構(gòu)函數(shù)的特點(diǎn)，融入加鎖、解鎖等操作。更加方便

#pragma once
#include <iostream>
#include <pthread.h>
class Mutex
{
public:
    Mutex(const Mutex &) = delete;
    const Mutex &operator=(const Mutex &) = delete;
    Mutex(){
        int n = pthread_mutex_init(&_lock, nullptr);
    }
    void Lock(){
        int n = pthread_mutex_lock(&_lock);
    }
    void Unlock(){
        int n = pthread_mutex_unlock(&_lock);
    }
    pthread_mutex_t *LockPtr() { return &_lock; }
    ~Mutex(){
        int n = pthread_mutex_destroy(&_lock);
    }

private:
    pthread_mutex_t _lock;
};
class LockGuard{
public:
    LockGuard(Mutex &mutex)
        : _mutex(mutex){
        _mutex.Lock();
    }
    ~LockGuard(){
        _mutex.Unlock();
    }
private:
    Mutex &_mutex; // 在該類下面定義了一個(gè)Mutex類型的引用成員變量，_mutex為變量名
};

3.5.1 RAII風(fēng)格

像這種獲取資源即初始化的風(fēng)格稱為RAII風(fēng)格，非常巧妙的運(yùn)用了類和對(duì)象的特性，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化操作。

04. 線程同步

當(dāng)一個(gè)線程互斥地訪問(wèn)某個(gè)變量時(shí)，它可能發(fā)現(xiàn)在其它線程改變狀態(tài)之前，它什么也做不了。例如：一個(gè)線程訪問(wèn)隊(duì)列時(shí)，發(fā)現(xiàn)隊(duì)列為空，它只能等待，只到其它線程將一個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到隊(duì)列中。這種情況就需要用到條件變量。

同步概念與競(jìng)態(tài)條件：

• 同步：在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，讓線程能夠按照某種特定的順序訪問(wèn)臨界資源，從而有效避免饑餓問(wèn)題，叫做同步
• 競(jìng)態(tài)條件：因?yàn)闀r(shí)序問(wèn)題，而導(dǎo)致程序異常，我們稱之為競(jìng)態(tài)條件。在線程場(chǎng)景下，這種問(wèn)題也不難理解

4.1 死鎖

死鎖是指在一組進(jìn)程中的各個(gè)進(jìn)程均占有不會(huì)釋放的資源，但因互相申請(qǐng)被其他進(jìn)程所站用不會(huì)釋放的資源而處于的一種永久等待狀態(tài)。

4.1.1 死鎖四個(gè)必要條件

• 互斥條件：一個(gè)資源每次只能被一個(gè)執(zhí)行流使用
• 請(qǐng)求與保持條件：一個(gè)執(zhí)行流因請(qǐng)求資源而阻塞時(shí)，對(duì)已獲得的資源保持不放
• 不剝奪條件:一個(gè)執(zhí)行流已獲得的資源，在末使用完之前，不能強(qiáng)行剝奪
• 循環(huán)等待條件:若干執(zhí)行流之間形成一種頭尾相接的循環(huán)等待資源的關(guān)系

4.1.2 避免死鎖

• 破壞死鎖的四個(gè)必要條件
• 加鎖順序一致
• 避免鎖未釋放的場(chǎng)景
• 資源一次性分配

4.1.3 避免死鎖算法

• 死鎖檢測(cè)算法(了解)
• 銀行家算法（了解

4.2 條件變量

條件變量是線程同步的高級(jí)機(jī)制，用于解決"等待特定條件成立"的場(chǎng)景。它總是與互斥鎖配合使用，實(shí)現(xiàn)高效的線程等待-通知機(jī)制。有以下特點(diǎn)：

• 總是與互斥鎖配合使用
• 解決"等待-通知"問(wèn)題
• 避免忙等待（busy-waiting）

操作代碼：

// 初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 等待條件滿足（自動(dòng)釋放關(guān)聯(lián)互斥鎖）
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

// 通知條件
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);      // 喚醒一個(gè)線程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);   // 廣播。。喚醒所有線程

可以把條件變量看作一個(gè)結(jié)構(gòu)體，其中包含一個(gè)隊(duì)列結(jié)構(gòu)，用來(lái)存儲(chǔ)正在排隊(duì)等候的線程信息，當(dāng)條件滿足時(shí)，就會(huì)取 隊(duì)頭 線程進(jìn)行操作，操作完成后重新進(jìn)入隊(duì)尾。后續(xù)基于此實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型。

簡(jiǎn)單使用示例:

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//靜態(tài)初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int data_ready = 0;  // 共享?xiàng)l件

void* consumer(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (data_ready == 0) {
        printf("Consumer: Waiting...\n");
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 阻塞并釋放鎖
    }
    printf("Consumer: Processing data.\n");
    data_ready = 0;
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

void* producer(void* arg) {
    sleep(1); // 模擬數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("Producer: Data ready.\n");
    data_ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond); // 喚醒消費(fèi)者
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, producer, NULL);
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    return 0;
}

總結(jié)

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。