网站建设咨询费用,如何做网站的维护,办公室装修设计平面图,李嘉诚预言2025房价走势[Linux]线程互斥 文章目录 [Linux]线程互斥线程并发访问问题线程互斥控制--加锁pthread_mutex_init函数pthread_mutex_destroy函数pthread_mutex_lock函数pthread_mutex_unlock函数锁相关函数使用示例使用锁的细节加锁解锁的实现原理 线程安全概念常见的线程不安全的情况常见的…[Linux]线程互斥 文章目录 [Linux]线程互斥线程并发访问问题线程互斥控制--加锁pthread_mutex_init函数pthread_mutex_destroy函数pthread_mutex_lock函数pthread_mutex_unlock函数锁相关函数使用示例使用锁的细节加锁解锁的实现原理 线程安全概念常见的线程不安全的情况常见的线程安全的情况常见不可重入的情况常见可重入的情况可重入与线程安全联系可重入与线程安全区别 死锁概念死锁的四个必要条件避免死锁的方法 线程并发访问问题
为了了解线程并发访问问题我们通过一个示例来理解。首先我们要知道计算机完成对一个内存中的数据的减法操作对应的三条汇编指令第一步是将内存中的数据加载到CPU的寄存器中第二步是将寄存器中的数据进行减法操作第三步是将计算后的数据写回到内存中。 存在以下场景两个线程都要对同一个数据进行操作两个线程看到的同一个地址空间当第一个线程将该数据加载到CPU中并完成计算要写回的时候由于操作系统的调度策略切换成了第二个线程第二个线程也做了将该数据加载到CPU中并完成计算并且成功写回此时又轮到第一个线程被调度了第一个线程会继续执行之前未完成的操作将数据写回。由于第一个线程对数据的计算没有写回内存第二个线程操作前的数据和第一个线程操作前的数据是一样的因此第一个线程回写时会将第二个线程的操作覆盖造成并发访问问题。 以上场景就是由于并发访问导致的多个线程的数据不一致的问题。
提出如下概念
线程共享的资源被称为临界资源。线程中访问临界资源的代码被称为临界区不访问临界资源的代码被称为非临界区。为了避免线程并发访问问题需采用加锁的方式让线程进行互斥访问。
编写如下代码模拟抢票操作产生的并发访问问题
#include iostream
#include pthread.h
#include unistd.husing namespace std;int tickets 10000;//模拟共享资源void *threadRoutine(void *args)
{char *name static_castchar*(args);while(true){if(tickets 0){usleep(1000);//模拟抢票操作cout name get a ticket: tickets-- endl;}else{break;}}return nullptr;
}int main()
{pthread_t tids[4];int n sizeof(tids)/sizeof(tids[0]);for (int i 0; i n; i)//创建4个线程{char* tname new char[64];snprintf(tname, 64, thread-%d, i 1);pthread_create(tids i, nullptr, threadRoutine, tname);}for (int i 0; i n; i)//回收线程{pthread_join(tids[i], nullptr);}return 0;
}编译代码运行并查看结果 由于在执行判断逻辑时多个线程都成功进入了临界区当其中一个线程将票数改为0时其他线程已经在执行临界区代码无法终止导致最终票数为负数。
线程互斥控制–加锁
线程互斥是指在多线程编程中通过使用某种机制来保护共享资源以确保在任意时刻只有一个线程能够访问或修改共享资源。
锁是Linux操作系统原生线程库中提供的pthread_mutex_t数据类型通过对锁的使用能够完成线程的互斥控制。
锁的特性 一把锁只能同时被一个线程使用。
pthread_mutex_init函数
Linux操作系统下提供了pthread_mutex_init函数用于初始化锁。
//pthread_mutex_init所在的头文件和函数声明
#include pthread.hint pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);pthread_mutex_init函数用于初始化。mutex参数 要初始化的锁。attr参数 给锁设置的属性默认传入空指针。全局变量锁可以采用初始化时pthread_mutex_t mutex PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER的方式进行初始化。
pthread_mutex_destroy函数
Linux操作系统下提供了pthread_mutex_destroy函数用于销毁锁。
//pthread_mutex_destroy所在的头文件和函数声明
#include pthread.hint pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_destroy函数用于局部变量锁的销毁。mutex参数 要销毁的锁。
pthread_mutex_lock函数
Linux操作系统下提供了pthread_mutex_lock函数用于申请锁。
//pthread_mutex_lock所在的头文件和函数声明
#include pthread.hint pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_lock函数用于申请锁。锁被其他线程申请后调用该函数会阻塞等待锁被释放然后申请锁。
pthread_mutex_unlock函数
Linux操作系统下提供了pthread_mutex_unlock函数用于释放锁。
//pthread_mutex_lock所在的头文件和函数声明
#include pthread.hint pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);pthread_mutex_unlock函数用于释放锁。
锁相关函数使用示例
为了验证加锁控制线程互斥能够解决线程并发访问问题对前文抢票模拟代码进行改进具体代码如下
#include iostream
#include string
#include pthread.h
#include unistd.husing namespace std;int tickets 1000; // 模拟共享资源class Tdata//作为传入线程执行函数接收的类
{
public:Tdata(char *name, pthread_mutex_t *pmutex) : _name(name), _pmutex(pmutex){}
public:string _name;pthread_mutex_t *_pmutex;
};void *threadRoutine(void *args)
{Tdata *td static_castTdata *(args);while(true){pthread_mutex_lock(td-_pmutex);//申请锁if(tickets 0){usleep(1000);//模拟抢票操作cout td-_name get a ticket: tickets-- endl;pthread_mutex_unlock(td-_pmutex);//释放锁}else{pthread_mutex_unlock(td-_pmutex);//释放锁break;}usleep(200);//模拟抢票后续操作并且避免同一个线程总能申请到锁}return nullptr;
}int main()
{pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_init(mutex, nullptr); // 初始化锁pthread_t tids[4];int n sizeof(tids) / sizeof(tids[0]);for (int i 0; i n; i) // 创建4个线程{char tname[64];snprintf(tname, 64, thread-%d, i 1);Tdata* td new Tdata(tname, mutex);pthread_create(tids i, nullptr, threadRoutine, (void *)td);}for (int i 0; i n; i) // 回收线程{pthread_join(tids[i], nullptr);}pthread_mutex_destroy(mutex); // 销毁锁return 0;
}编译代码运行并查看结果 由于每个线程在访问共享资源前都需要申请锁线程操作共享资源的操作是互斥的因此多个线程对共享资源的操作完全是串行化的不会造成多个线程进入临界区但是进入临界区的条件不满足了的情况。
使用锁的细节
凡是访问同一个临界资源的线程都要进行加锁保护而且必须加同一把锁。每一个线程访问临界区之前得加锁加锁本质是给临界区加锁加锁的粒度尽量要细一些。线程访问临界区的时候需要先加锁所有线程都必须要先看到同一把锁因此锁本身就是公共资源加锁和解锁本身就是原子的保证了锁的并发访问是安全的。临界区可以是一行代码可以是一批代码进入临界区的线程也可能被切换但是由于进入临界区时锁被改线程拿走了其他线程申请不到锁因此不会存在并发访问问题。申请不到锁的线程只能等待正是体现互斥带来的串行化的表现 因此申请不到锁的线程无法执行临界区代码申请到锁的线程最终一定会将临界区的代码执行完原子性就体现在这里。解锁的过程也被设计成为原子的
加锁解锁的实现原理
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元的数据相交换,由于只有一条指令,保证了原子性。以下是加锁实现的伪代码 加锁伪代码的主要步骤如下 第一步向%al寄存器中写入0第二步执行exchange指令将%al寄存器中的数据和内存中锁中的数据锁初始化后锁中数据大于0进行交换第三步判断%al中的数据大于0即是申请到了锁否则就是锁被别人申请走了。 第二步数据交换就是加锁的本质当线程执行这段代码把锁中数据交换成0后锁中原有数据就被该线程“私有化了”即使线程切换寄存器中的数据也会作为线程上下文被切走其他线程在执行加锁的代码交换到%al的寄存器数据都是0因此只能挂起等待保证了锁的互斥性。 加锁的本质是一条命令保证了加锁的原子性 代码执行的基本单位是一条指令因此加锁过程一定是要么没做要么做完的是具有原子性的。 锁被申请到后其他线程无法申请到锁 由于加锁的本质是一条交换命令因此一个线程执行交换命令完成加锁后其他线程想加锁也只是使用交换命令将0交换无法申请到锁。
以下是解锁实现的伪代码 解锁的本质是将大于0的数据写回至内存中的锁由于只有一条指令因此解锁也是原子性的。
线程安全
概念
线程安全 多个线程并发同一段代码时不会出现不同的结果。常见对全局变量或者静态变量进行操作 并且没有锁保护的情况下会出现该问题。
重入 同一个函数被不同的执行流调用当前一个流程还没有执行完就有其他的执行流再次进入称之为重入。一个函数在重入的情况下运行结果不会出现任何不同或者任何问题则该函数被称为可重 入函数否则是不可重入函数。
常见的线程不安全的情况
不保护共享变量的函数函数状态随着被调用状态发生变化的函数返回指向静态变量指针的函数调用线程不安全函数的函数
常见的线程安全的情况
每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限而没有写入的权限一般来说这些线程是安全的类或者接口对于线程来说都是原子操作多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性
常见不可重入的情况
调用了malloc/free函数因为malloc函数是用全局链表来管理堆的调用了标准I/O库函数标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构可重入函数体内使用了静态的数据结构
常见可重入的情况
不使用全局变量或静态变量不使用用malloc或者new开辟出的空间不调用不可重入函数不返回静态或全局数据所有数据都有函数的调用者提供使用本地数据或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据
可重入与线程安全联系
函数是可重入的那就是线程安全的函数是不可重入的那就不能由多个线程使用有可能引发线程安全问题如果一个函数中有全局变量那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的
可重入与线程安全区别
可重入函数是线程安全函数的一种线程安全不一定是可重入的而可重入函数则一定是线程安全的如果将对临界资源的访问加上锁则这个函数是线程安全的但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生 死锁因此是不可重入的
死锁
概念
死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源但因互相申请被其他进程所站用不会释放的资源而处于的一种永久等待状态。
死锁的四个必要条件
互斥条件一个资源每次只能被一个执行流使用请求与保持条件一个执行流因请求资源而阻塞时对已获得的资源保持不放循环等待条件若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系不剥夺条件一个执行流已获得的资源在未使用完之前不能强行剥夺
死锁形成示意图 互斥资源1和资源2只能被线程1和线程2中的一方使用
请求与保持条件线程1申请资源2并且占有资源1不释放线程2申请资源1并且占有资源2不释放
循环等待条件线程1占有资源1申请资源2线程2占有资源2申请资源1
不剥夺条件线程1不能强行剥夺线程2已占有的资源2线程2不能强行剥夺线程1已占有的资源1
避免死锁的方法
避免死锁的方法是破坏死锁四个必要条件中的任意一个条件具体方法如下
不加锁对应互斥条件主动释放锁对应请求与保持条件按照顺序申请锁对应循环等待条件控制线程统一释放锁对应不剥夺条件
说明 申请锁的线程和释放锁的线程可以是不同的线程。
