引言

在上一篇文章中，我們?cè)敿?xì)探討了多線程編程的基礎(chǔ)概念，包括線程互斥、互斥鎖以及死鎖和資源饑餓等問題。我們了解到，在多線程環(huán)境下，為了防止數(shù)據(jù)競爭和保證程序的正確性，需要采用一定的同步機(jī)制來協(xié)調(diào)線程之間的執(zhí)行順序。本篇文章將繼續(xù)深入探討多線程編程中的另一組關(guān)鍵概念：線程同步、條件變量和線程安全。

在這篇文章中，我們將具體介紹線程同步的技術(shù)和模式，探討條件變量的工作原理以及如何在實(shí)際編程中正確使用它們來避免競態(tài)條件和提高程序效率。同時(shí)，我們還將分析線程安全的概念，并通過示例展示如何編寫線程安全的代碼，以確保多線程程序的可靠性和穩(wěn)定性。隨著對(duì)這些概念的深入理解，我們將能夠更加熟練地掌握多線程編程，打造出更加健壯和高效的軟件系統(tǒng)。

一、線程同步

1. 競態(tài)條件的概念

競態(tài)條件（Race Condition）是并發(fā)編程中的一個(gè)重要概念，它指的是程序的輸出或行為依賴于事件或線程的時(shí)序。在多線程環(huán)境中，如果多個(gè)線程共享某些數(shù)據(jù)，并且它們?cè)噲D同時(shí)讀寫這些數(shù)據(jù)而沒有適當(dāng)?shù)耐綑C(jī)制來協(xié)調(diào)這些操作，就可能出現(xiàn)競態(tài)條件。

簡單來說，當(dāng)兩個(gè)或更多的線程訪問共享數(shù)據(jù)，并且至少有一個(gè)線程在修改這些數(shù)據(jù)時(shí)，如果線程之間的執(zhí)行順序會(huì)影響最終的結(jié)果，那么就存在競態(tài)條件。由于線程調(diào)度通常由操作系統(tǒng)進(jìn)行，而且具有一定的隨機(jī)性，因此競態(tài)條件可能導(dǎo)致程序行為不可預(yù)測，有時(shí)候甚至非常難以復(fù)現(xiàn)和調(diào)試。

競態(tài)條件的一個(gè)典型例子是“檢查后行動(dòng)”（check-then-act）操作，其中線程檢查某個(gè)條件（如資源是否可用），然后基于這個(gè)條件采取行動(dòng)。如果在檢查和行動(dòng)之間的時(shí)間窗口內(nèi)，另一個(gè)線程改變了條件（如搶占了資源），那么第一個(gè)線程的行動(dòng)可能基于錯(cuò)誤的假設(shè)。

另一個(gè)常見的競態(tài)條件是“讀-改-寫”（read-modify-write）操作，這涉及到讀取一個(gè)變量的值，對(duì)其進(jìn)行修改，然后寫回新值。如果兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這樣的操作，而且它們的讀取和寫入操作是交織在一起的，那么最終寫回的值可能只反映了其中一個(gè)線程的修改，而另一個(gè)線程的修改則丟失了。

為了避免競態(tài)條件，我們需要使用線程同步機(jī)制，如互斥鎖、信號(hào)量、條件變量等，來確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠訪問臨界區(qū)的代碼。通過這種方式，可以序列化對(duì)共享資源的訪問，從而避免不確定的時(shí)序和數(shù)據(jù)沖突，保證程序的正確性和穩(wěn)定性。

2. 線程同步的概念

線程同步是指在多線程環(huán)境中，控制不同線程之間的執(zhí)行順序，確保它們能夠有序地共享資源和協(xié)調(diào)工作的一系列機(jī)制和方法。當(dāng)多個(gè)線程訪問共享資源時(shí)，如果沒有適當(dāng)?shù)耐剑涂赡馨l(fā)生競態(tài)條件（Race Condition），導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致、程序錯(cuò)誤甚至崩潰。

為了防止這些問題，線程同步提供了一種方式，使得在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問到臨界區(qū)（Critical Section）。臨界區(qū)是指那些訪問共享資源的代碼段，這些資源可能是內(nèi)存、文件或者其他外部狀態(tài)。通過線程同步，我們可以確保每次只有一個(gè)線程可以操作臨界區(qū)內(nèi)的共享資源，從而避免非預(yù)期的交互和數(shù)據(jù)沖突。

二、條件變量

條件變量是一種同步原語，它用于線程間的通信，使得一個(gè)線程能夠在某個(gè)特定條件不滿足時(shí)掛起（等待），直到另一個(gè)線程更新了這個(gè)條件并通知等待的線程。條件變量通常與互斥鎖（mutex）一起使用，以避免競態(tài)條件，并確保數(shù)據(jù)的一致性。

1. 條件變量函數(shù)

?使用前提

在Linux環(huán)境下，使用條件變量相關(guān)的函數(shù)需要包含<pthread.h>頭文件：

#include <pthread.h>

<pthread.h> 頭文件中定義了所有與POSIX線程相關(guān)的數(shù)據(jù)類型、函數(shù)原型和宏。這包括了條件變量的操作函數(shù)、互斥鎖的操作函數(shù)以及線程創(chuàng)建和控制的函數(shù)。

當(dāng)編譯使用了 <pthread.h> 的程序時(shí)，通常需要鏈接線程庫，這可以通過在編譯命令中添加 -lpthread 選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)。例如：

gcc program.c -o program -lpthread

這條命令會(huì)編譯 program.c 文件，并將POSIX線程庫鏈接到生成的可執(zhí)行文件 program 中。

（1）初始化條件變量

在POSIX線程（pthreads）庫中，條件變量可以通過兩種方式進(jìn)行初始化：

1. 靜態(tài)初始化：使用預(yù)定義的宏 PTHREAD_COND_INITIALIZER 來初始化條件變量。這是在程序開始執(zhí)行之前，即編譯時(shí)期就已經(jīng)完成的初始化。

   示例代碼：

   pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
   

2. 動(dòng)態(tài)初始化：使用函數(shù) pthread_cond_init() 在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地初始化條件變量。這種方式允許你指定條件變量的屬性。

   示例代碼：

   pthread_cond_t cond;
   int ret = pthread_cond_init(&cond, NULL); // 使用NULL作為屬性參數(shù)，表示默認(rèn)屬性
   if (ret != 0) 
   {
       // 錯(cuò)誤處理
   }
   

在動(dòng)態(tài)初始化的情況下，如果你想要設(shè)置特定的條件變量屬性，可以創(chuàng)建一個(gè) pthread_condattr_t 類型的變量，并使用 pthread_condattr_init() 和相關(guān)函數(shù)來設(shè)置所需的屬性。之后，將這個(gè)屬性變量傳遞給 pthread_cond_init() 函數(shù)。

不論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)初始化，初始化后的條件變量都處于未信號(hào)化的狀態(tài)，等待被 pthread_cond_signal() 或 pthread_cond_broadcast() 函數(shù)喚醒。

（2）等待條件滿足

pthread_cond_wait 函數(shù)是POSIX線程庫中用于等待條件變量的函數(shù)。它的作用是阻塞調(diào)用線程直到指定的條件變量被信號(hào)化。在等待期間，pthread_cond_wait 會(huì)自動(dòng)釋放與條件變量相關(guān)聯(lián)的互斥鎖，并且在條件變量被信號(hào)化后重新獲取互斥鎖。

pthread_cond_wait函數(shù)的原型：

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

參數(shù)解釋：

• cond：指向需要等待的條件變量的指針。
• mutex：指向當(dāng)前線程已鎖定的互斥鎖的指針，必須在調(diào)用pthread_cond_wait之前由線程鎖定。

返回值：

• 如果函數(shù)成功，返回0。
• 如果失敗，將返回一個(gè)錯(cuò)誤碼（非零值）。

使用說明

1. 線程在調(diào)用pthread_cond_wait之前，必須確保已經(jīng)鎖定了mutex互斥鎖。
2. 調(diào)用pthread_cond_wait后，線程會(huì)阻塞，并且mutex互斥鎖被自動(dòng)釋放，以允許其他線程操作條件和互斥鎖。
3. 當(dāng)其他線程對(duì)條件變量調(diào)用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast時(shí)，等待的線程會(huì)被喚醒。
4. 被喚醒的線程在返回前將重新獲取mutex互斥鎖。這意味著當(dāng)pthread_cond_wait返回時(shí)，線程已經(jīng)再次鎖定了mutex。
5. 因?yàn)榭赡苡卸鄠€(gè)線程在等待同一個(gè)條件變量，所以即使線程被喚醒，也不能假設(shè)條件已經(jīng)滿足。通常需要在循環(huán)中調(diào)用pthread_cond_wait來重新檢查條件。

示例代碼

// 假設(shè)已經(jīng)聲明并初始化了cond和mutex
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_not_met) 
{
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
// 此時(shí)condition_is_met為真，可以執(zhí)行依賴于該條件的代碼
pthread_mutex_unlock(&mutex);

在這個(gè)示例中，線程首先鎖定互斥鎖mutex，然后在一個(gè)循環(huán)中檢查條件是否滿足。如果條件不滿足，線程調(diào)用pthread_cond_wait等待條件變量cond。當(dāng)條件變量被其他線程信號(hào)化時(shí)，線程將被喚醒，并在重新獲得互斥鎖后繼續(xù)執(zhí)行。

（3）喚醒等待

pthread_cond_broadcast 和 pthread_cond_signal 函數(shù)都是用來喚醒等待特定條件變量的線程。它們的區(qū)別在于喚醒等待線程的數(shù)量。

pthread_cond_broadcast()

pthread_cond_broadcast 函數(shù)喚醒所有等待特定條件變量的線程。如果沒有線程在等待，調(diào)用此函數(shù)不會(huì)有任何效果。

函數(shù)原型如下：

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

參數(shù)解釋：

• cond：指向需要廣播信號(hào)的條件變量的指針。

返回值：

• 如果函數(shù)成功，返回0。
• 如果失敗，將返回一個(gè)錯(cuò)誤碼（非零值）。

pthread_cond_signal()

與pthread_cond_broadcast不同，pthread_cond_signal函數(shù)只喚醒一個(gè)正在等待特定條件變量的線程。如果有多個(gè)線程在等待，系統(tǒng)選擇一個(gè)線程喚醒。選擇哪個(gè)線程通常取決于線程調(diào)度策略，程序員無法控制。

函數(shù)原型如下：

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

參數(shù)解釋：

• cond：指向需要發(fā)送信號(hào)的條件變量的指針。

返回值：

• 如果函數(shù)成功，返回0。
• 如果失敗，將返回一個(gè)錯(cuò)誤碼（非零值）。

使用說明

1. 在調(diào)用pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast之前，通常需要鎖定與條件變量相關(guān)聯(lián)的互斥鎖。
2. 調(diào)用這些函數(shù)后，互斥鎖可以被釋放，以便喚醒的線程可以繼續(xù)執(zhí)行。
3. 喚醒的線程將嘗試重新獲取互斥鎖，一旦獲取成功，它們就可以檢查條件是否滿足并繼續(xù)執(zhí)行。

示例代碼

// 假設(shè)已經(jīng)聲明并初始化了cond和mutex
pthread_mutex_lock(&mutex);
// 更新條件并可能修改共享資源
condition_met = 1;
// 喚醒所有等待cond的線程
pthread_cond_broadcast(&cond);
// 或者，只喚醒至少一個(gè)等待cond的線程
// pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

在這個(gè)示例中，線程首先鎖定互斥鎖mutex，然后更新條件變量相關(guān)的條件。之后，使用pthread_cond_broadcast或pthread_cond_signal來喚醒等待該條件變量的線程。最后，線程解鎖互斥鎖。

（4）銷毀條件變量

銷毀條件變量是指在條件變量不再需要時(shí)，釋放它所占用的資源。在POSIX線程（pthreads）庫中，可以使用 pthread_cond_destroy 函數(shù)來銷毀一個(gè)條件變量。

pthread_cond_destroy 函數(shù)的原型：

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

參數(shù)解釋：

• cond：指向需要銷毀的條件變量的指針。

返回值：

• 如果函數(shù)成功，返回0。
• 如果失敗，將返回一個(gè)錯(cuò)誤碼（非零值）。

使用說明

1. 在調(diào)用 pthread_cond_destroy 之前，必須確保沒有線程正在等待或即將等待條件變量。否則，行為是未定義的，并且可能會(huì)導(dǎo)致程序崩潰或其他錯(cuò)誤。
2. 通常，在動(dòng)態(tài)初始化的條件變量不再需要時(shí)調(diào)用 pthread_cond_destroy。對(duì)于靜態(tài)初始化的條件變量，如果沒有分配額外的資源，則可以不調(diào)用 pthread_cond_destroy。
3. 一旦條件變量被銷毀，你應(yīng)該避免再次使用它，除非它被重新初始化。

示例代碼

// 假設(shè) cond 是一個(gè)之前已經(jīng)初始化的條件變量
int ret = pthread_cond_destroy(&cond);
if (ret != 0) 
{
    // 錯(cuò)誤處理
}

在這個(gè)示例中，cond 是一個(gè)先前已經(jīng)初始化并且現(xiàn)在不再需要的條件變量。通過調(diào)用 pthread_cond_destroy 來銷毀它，從而釋放可能分配的資源。如果銷毀過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，可以根據(jù)返回的錯(cuò)誤碼進(jìn)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理。

2. 條件變量使用規(guī)范

條件變量的運(yùn)行機(jī)制基于兩個(gè)主要操作：等待（wait）和通知（signal/broadcast）。

（1）條件變量的使用流程

1. 等待條件（Waiting for a Condition）:

   • 線程首先獲取與條件變量關(guān)聯(lián)的互斥鎖。
   • 線程檢查某個(gè)條件是否滿足。如果條件不滿足，線程將進(jìn)入等待狀態(tài)，并且原子地釋放互斥鎖，這樣其他線程就可以獲取互斥鎖來更改條件。
   • 當(dāng)條件變量收到通知后，線程被喚醒，重新嘗試獲取互斥鎖。一旦獲取到鎖，線程將再次檢查條件是否滿足，以防在等待期間條件發(fā)生了變化。

2. 通知等待線程（Notifying Waiting Threads）:

   • 另一個(gè)線程在更改了條件后，會(huì)獲取相同的互斥鎖。
   • 在保持互斥鎖的情況下，該線程更新條件。
   • 更新完畢后，線程通過條件變量發(fā)送通知，表示條件已經(jīng)改變。通知操作有兩種形式：
     1. signal：喚醒至少一個(gè)等待該條件變量的線程。
     2. broadcast：喚醒所有等待該條件變量的線程。

3. 重新檢查條件（Rechecking the Condition）:

   • 被喚醒的線程在從等待狀態(tài)返回時(shí)需要重新獲得之前釋放的互斥鎖。
   • 一旦鎖被重新獲得，線程應(yīng)該再次檢查條件，因?yàn)樵诙鄠€(gè)線程等待相同條件的情況下，條件可能已經(jīng)再次變?yōu)榧佟?/li>

（2）條件變量的使用注意事項(xiàng)

• 使用條件變量時(shí)，應(yīng)當(dāng)始終與互斥鎖配合使用，以防止競態(tài)條件。
• 必須在修改條件之前獲取互斥鎖，并在修改完畢后釋放互斥鎖。
• 在等待條件變量時(shí)，程序應(yīng)該處于循環(huán)中檢查條件，即使被signal或broadcast喚醒，也應(yīng)重新檢查條件是否真正滿足。
• 條件變量的等待和通知操作必須在同一個(gè)互斥鎖保護(hù)下進(jìn)行，以確保數(shù)據(jù)的一致性。

3. 使用條件變量的示例

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

// 定義全局的條件變量和互斥鎖
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *thread_function(void *arg) 
{
    // 獲取互斥鎖
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 等待條件變量
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    // 做一些工作...
    printf("Received signal\n");
    // 釋放互斥鎖
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() 
{
    pthread_t thread_id;
    // 創(chuàng)建新線程
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    // 做一些工作...
    sleep(1); // 等待一段時(shí)間，模擬工作
    // 發(fā)送信號(hào)給等待的線程
    pthread_cond_signal(&cond);
    // 等待線程結(jié)束
    pthread_join(thread_id, NULL);
    // 清理資源
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

這個(gè)示例中，主線程創(chuàng)建了一個(gè)新線程，并通過條件變量發(fā)送信號(hào)。新線程在接收到信號(hào)后開始執(zhí)行打印操作。

三、線程安全

1. 概念

線程安全指的是當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問某個(gè)功能、對(duì)象或變量時(shí)，系統(tǒng)能夠確保這個(gè)功能、對(duì)象或變量仍然能夠如預(yù)期般正常工作。具體來說，一個(gè)線程安全的程序?qū)τ诓l(fā)訪問沒有任何副作用，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競爭、死鎖等問題，可以正確地處理多線程同時(shí)訪問的情況。

2. 常見的線程不安全的情況

線程不安全的情況通常發(fā)生在多個(gè)線程并發(fā)訪問共享資源時(shí)，由于缺乏適當(dāng)?shù)耐交蚧コ鈾C(jī)制，導(dǎo)致出現(xiàn)意外的結(jié)果。以下是一些常見的線程不安全的情況：

1. 競態(tài)條件（Race Conditions）：當(dāng)多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問和修改共享的數(shù)據(jù)，而沒有足夠的同步保護(hù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致競態(tài)條件。這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或不一致的結(jié)果。

2. 數(shù)據(jù)競爭（Data Races）：當(dāng)至少兩個(gè)線程同時(shí)訪問相同的內(nèi)存位置，其中至少一個(gè)是寫操作時(shí)，且沒有適當(dāng)?shù)耐綍r(shí)，就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)競爭。這可能導(dǎo)致未定義的行為和程序崩潰。

3. 死鎖（Deadlock）：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程互相持有對(duì)方所需的資源，并且在等待對(duì)方釋放資源時(shí)都不釋放自己的資源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生死鎖。這將導(dǎo)致多個(gè)線程永遠(yuǎn)無法繼續(xù)執(zhí)行。

4. 活鎖（Livelock）：類似于死鎖，但線程們不斷重試某個(gè)操作，卻始終無法取得進(jìn)展，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。

5. 非原子操作：當(dāng)一個(gè)操作需要多個(gè)步驟完成，而這些步驟中間被其他線程打斷，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)狀態(tài)處于不一致的狀態(tài)。

6. 資源泄露：當(dāng)線程在使用完資源后沒有正確釋放，導(dǎo)致資源泄露，可能最終耗盡系統(tǒng)資源。

7. 不一致的狀態(tài)：當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)修改共享狀態(tài)時(shí)，由于缺乏同步機(jī)制，可能導(dǎo)致狀態(tài)變得不一致，違反程序的預(yù)期行為。

以上情況都代表了典型的線程不安全問題，編寫多線程程序時(shí)需要格外注意避免這些問題的發(fā)生。為了解決這些問題，可以使用鎖、原子操作、條件變量等同步機(jī)制來確保線程安全，以及遵循良好的并發(fā)編程實(shí)踐。

3. 常見的線程安全的情況

1. 不可變對(duì)象（Immutable Objects）：不可變對(duì)象在創(chuàng)建后無法被修改，因此多個(gè)線程同時(shí)訪問不會(huì)引發(fā)線程安全問題。例如，Java中的String類就是不可變對(duì)象。

2. 線程本地存儲(chǔ)（Thread-Local Storage）：每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的變量副本，不會(huì)被其他線程共享，從而避免了線程安全問題。可以使用ThreadLocal類來實(shí)現(xiàn)線程本地存儲(chǔ)。

3. 局部變量（Local Variables）：局部變量是在每個(gè)線程的棧幀中創(chuàng)建的，每個(gè)線程擁有自己的副本，不存在線程安全問題。

4. 同步容器（Synchronized Containers）：某些容器類（如Vector、Hashtable）提供了內(nèi)部同步機(jī)制，可以安全地在多線程環(huán)境下使用。這些容器會(huì)確保對(duì)它們的操作是原子的，并且提供了線程安全的迭代器。

5. 并發(fā)容器（Concurrent Containers）：Java中的ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue等并發(fā)容器提供了高效的線程安全操作。它們使用了復(fù)雜的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高性能的并發(fā)訪問。

6. 使用互斥鎖（Mutex）或同步機(jī)制：通過在多個(gè)線程訪問共享資源時(shí)使用互斥鎖、讀寫鎖等同步機(jī)制，可以保證線程安全。這樣在任意時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠訪問共享資源。

7. 原子操作（Atomic Operations）：某些編程語言提供了原子操作，這些操作是不可中斷的，可以保證在多線程環(huán)境下的原子性。例如，Java中的AtomicInteger類提供了原子操作的整型變量。

8. 使用并發(fā)編程庫和框架：一些現(xiàn)代編程語言和框架提供了豐富的并發(fā)編程工具和庫，如Java中的java.util.concurrent包，可以更方便地實(shí)現(xiàn)線程安全。

4. 可重入與線程安全的關(guān)系（八股文）

（1）可重入與線程安全的聯(lián)系

• 函數(shù)是可重入的，那就是線程安全的。
• 函數(shù)是不可重入的，那就不能由多個(gè)線程使用，有可能引發(fā)線程安全問題。
• 如果一個(gè)函數(shù)中有全局變量，那么這個(gè)函數(shù)既不是線程安全也不是可重入的。

（2）可重入與線程安全的區(qū)別

• 可重入函數(shù)是線程安全函數(shù)的一種。
• 線程安全不一定是可重入的，而可重入函數(shù)則一定是線程安全的。
• 如果將對(duì)臨界資源的訪問加上鎖，則這個(gè)函數(shù)是線程安全的，但如果這個(gè)重入函數(shù)若鎖還未釋放則會(huì)產(chǎn)生死鎖，因此是不可重入的。

溫馨提示

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