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個(gè)人專欄 ： 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》 《C語(yǔ)言》《C++》《Linux》

前言

本文作為我對(duì)于線程同步知識(shí)總結(jié)

線程同步

• 同步：在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，讓線程能夠按照某種順序訪問(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：是指多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)系統(tǒng)共享資源時(shí)，由于其執(zhí)行順序或時(shí)間上的不確定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或其它不可預(yù)料的結(jié)果(一般發(fā)生在對(duì)稱多處理環(huán)境，中斷和異常處理，內(nèi)核態(tài)搶占，并發(fā)執(zhí)行…)

看了上面兩個(gè)概念，你可能還是不太理解同步是什么，為什么要有同步。下面我們就舉一個(gè)例子。
我們假定有兩個(gè)人，一個(gè)人A將蘋果放在桌子上，另一個(gè)人B蒙著眼睛去桌子上拿蘋果，桌子每次只允許有一個(gè)人，因?yàn)锽不清楚桌子上的情況是什么(有一個(gè)蘋果，沒(méi)有蘋果，桌子上全是蘋果)，那為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，B只能瘋狂的去桌子上拿蘋果，以保證B拿到所有的蘋果。那如果桌子上沒(méi)有蘋果，B仍然瘋狂去桌子上拿蘋果，此時(shí)A是不是就不能去桌子上放蘋果，那此時(shí)B是不是再做無(wú)用工，而且導(dǎo)致了A不能放蘋果，B拿蘋果的效率降低。如果我們將A，B換成線程，蘋果看出共享資源(某種任務(wù))，桌子看成臨界區(qū)，那B是不是就是一直在做申請(qǐng)鎖，再釋放鎖的無(wú)效工作，并且導(dǎo)致了A的饑餓問(wèn)題。這時(shí)我們就需要保證A，B之間的順序問(wèn)題，如在B訪問(wèn)過(guò)桌子后，不能立即再次訪問(wèn)桌子，要等待A訪問(wèn)桌子后。這是不是就會(huì)使A，B拿蘋果的效率提升。而這就是為什么要有同步的理由

條件變量接口

初始化條件變量

• 靜態(tài)初始化
  與互斥鎖類似，定義一個(gè)全局的條件變量，用PTHREAD_COND_INITIALIZER宏來(lái)初始化，系統(tǒng)自動(dòng)釋放該條件變量。該宏一般存放在 /usr/include/pthread.h 路徑下
  
• 動(dòng)態(tài)初始化
  
  restrict是C語(yǔ)言的一個(gè)關(guān)鍵字，表示該指針是唯一的訪問(wèn)其指向?qū)ο蟮闹羔槨?br> cond將被初始化的條件變量，attr 為nullptr，使用默認(rèn)屬性初始化條件變量。
  如果函數(shù)成功執(zhí)行，返回0； 如果函數(shù)執(zhí)行失敗，則返回錯(cuò)誤碼，如EAGAIN(資源暫時(shí)不可用)，ENOMEM(內(nèi)存不足)

銷毀條件變量

cond 表示將被銷毀的條件變量，需要注意在調(diào)用pthread_cond_destroy后，該指針本身并未被銷毀，只是所指向的條件變量被銷毀，記得將指針置空
如果函數(shù)成功執(zhí)行，返回0； 如果函數(shù)失敗，返回錯(cuò)誤碼。如EBUSY，該條件變量正在被使用

等待條件變量

cond 表示將要等待的條件變量，mutex 表示線程所持有的互斥鎖
如果函數(shù)成功執(zhí)行，返回0；如果函數(shù)執(zhí)行失敗，返回錯(cuò)誤碼，如EINVAL 無(wú)效的參數(shù)(條件變量 or 互斥鎖為初始化…)

關(guān)于該函數(shù)的參數(shù)為什么會(huì)有鎖，有什么注意事項(xiàng)，在下面代碼示例，我們?cè)俳忉尅?/p>

喚醒等待

cond要發(fā)生信號(hào)的條件變量指針。
如果函數(shù)執(zhí)行成功，返回0； 如果函數(shù)執(zhí)行失敗，返回錯(cuò)誤碼，如ENVAL(無(wú)效的參數(shù))
需要注意的是，pthread_cond_signal只用于喚醒在cond條件變量的阻塞隊(duì)列中等待的一個(gè)線程。

該函數(shù)的參數(shù)與返回值與pthread_cond_signal相同，只不過(guò)該函數(shù)喚醒所有在cond條件變量的阻塞隊(duì)列中等待的所有線程，而那些線程先執(zhí)行，取決于操作系統(tǒng)的調(diào)度策略。

簡(jiǎn)單示例

我們先來(lái)看看下面代碼，3個(gè)線程爭(zhēng)奪ticket資源。當(dāng)三個(gè)線程檢測(cè)到ticket == 0時(shí)，三個(gè)線程都將等待。我們主線程每過(guò)5秒，使ticket += 10。

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

using namespace std;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ticket = 100;

void* threadRoutine(void *args)
{
    const string threadname = static_cast<char*>(args);
    
    while(true)
    {   
        usleep(1000);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(ticket > 0)
        {
            ticket--;
            cout << threadname << ", get a ticket: " << ticket << endl;
        }
        else
        {
            cout << threadname << ", ticket == 0" << endl;
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_t td1;
    pthread_create(&td1, nullptr, threadRoutine, (void*)"thread-1");

    pthread_t td2;
    pthread_create(&td2, nullptr, threadRoutine, (void*)"thread-2");

    pthread_t td3;
    pthread_create(&td3, nullptr, threadRoutine, (void*)"thread-3");
    
    while(true)
    {
        sleep(5);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        ticket += 10;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        pthread_cond_signal(&cond);
    }

    pthread_join(td1, nullptr);
    pthread_join(td2, nullptr);
    pthread_join(td3, nullptr);
    return 0;
}

當(dāng)線程2，線程3，線程1先后檢測(cè)到ticket == 0時(shí)，在cond的等待隊(duì)列中，線程以2,3，1的順序排隊(duì)。那當(dāng)調(diào)用pthread_cond_signal函數(shù)時(shí)，線程2會(huì)先執(zhí)行，執(zhí)行完再檢測(cè)到ticket==0,排到等待隊(duì)列尾部

再調(diào)用pthread_cond_signal函數(shù)時(shí)，線程3會(huì)執(zhí)行。

再調(diào)用pthread_cond_signal函數(shù)時(shí)，線程1會(huì)執(zhí)行。

這樣，我們多線程就可以按某種特定順序來(lái)執(zhí)行。
那如果我們使用pthread_cond_broadcast函數(shù)，會(huì)有什么情況？

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，三個(gè)線程都被喚醒，來(lái)爭(zhēng)搶ticket資源，其先后順序由操作系統(tǒng)決定(優(yōu)先級(jí)，競(jìng)爭(zhēng)鎖的能力…)。

pthread_cond_wait為什么要有mutex

此時(shí)不知道你是否有一個(gè)疑問(wèn)，我們假定線程-1先爭(zhēng)搶到ticket，檢測(cè)到ticket == 0時(shí)，該線程-1要在cond的等待隊(duì)列中等待，然后其它兩個(gè)線程在進(jìn)入臨界區(qū)，檢測(cè)到ticket==0，在等待隊(duì)列中排隊(duì)。但是線程-1是持有鎖進(jìn)入等待隊(duì)列的，那其它兩個(gè)線程是如何進(jìn)入臨界區(qū)的？答案很明顯，那就是線程-1在cond等待中，一定釋放了其持有的鎖，從而使其余兩個(gè)線程可以持有鎖進(jìn)入臨界區(qū)。這就是為什么pthread_cond_wait函數(shù)的參數(shù)要有互斥鎖的存在。
那我們?cè)谏钊胂胍幌?，調(diào)用pthread_cond_wait函數(shù)后，該線程是先釋放鎖，再進(jìn)入等待隊(duì)列中；還是先進(jìn)入等待隊(duì)列中，再釋放鎖？答案是都不是。釋放鎖和進(jìn)入等待隊(duì)列是同時(shí)進(jìn)行的！?。∵@也表示pthread_cond_wait函數(shù)是原子的，在調(diào)用pthread_cond_wait時(shí)，涉及的互斥鎖釋放和進(jìn)入等待隊(duì)列的操作是作為一個(gè)不可分割的整體來(lái)執(zhí)行。確保了線程在調(diào)用該函數(shù)時(shí)不會(huì)遇到競(jìng)態(tài)條件，即線程在釋放鎖和進(jìn)入等待隊(duì)列之間不會(huì)被其它線程打斷。
以下是線程調(diào)用pthread_cond_wait的過(guò)程

1. 線程必須已經(jīng)持有鎖：在調(diào)用pthread_cond_wait時(shí)，線程必須已經(jīng)鎖定了某個(gè)互斥鎖，這是該函數(shù)的前提條件

2. 自動(dòng)釋放互斥鎖：當(dāng)線程調(diào)用pthread_cond_wait時(shí)，它會(huì)自動(dòng)釋放它當(dāng)前持有的互斥鎖。這一步是為了允許其它線程有機(jī)會(huì)獲取該互斥鎖并修改共享資源，從而可能改變條件變量的狀態(tài)

3. 加入等待隊(duì)列：釋放互斥鎖之后，線程會(huì)接著被添加到條件變量的等待隊(duì)列中，并在此處等待

4. 等待被喚醒：線程在等待隊(duì)列中等待，直到其它線程調(diào)用pthread_cond_signal 或 pthread_cond_broadcast來(lái)喚醒它

5. 重新獲取互斥鎖：當(dāng)線程被喚醒時(shí)，線程會(huì)嘗試重新獲取之前釋放的互斥鎖。如果鎖此時(shí)沒(méi)有被其它線程持有，線程將成功獲取鎖并繼續(xù)執(zhí)行。如果鎖仍然被其它線程持有，線程將阻塞(在申請(qǐng)鎖的地方阻塞)，直到能夠獲取鎖時(shí)。

具體來(lái)說(shuō)，pthread_cond_wait函數(shù)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)保證了2,3步驟的原子性。

偽喚醒問(wèn)題的解決 (if->while)

偽喚醒問(wèn)題是指：在多線程環(huán)境中，當(dāng)線程等待某個(gè)條件變量時(shí)，它可能會(huì)在沒(méi)有到達(dá)預(yù)期的情況下被喚醒。
對(duì)于這一問(wèn)題，我們可以在判斷的時(shí)候，將if 變?yōu)?while，使其被喚醒后任然進(jìn)行條件判斷，如果條件滿足，線程繼續(xù)向后執(zhí)行，如果條件不被滿足，線程繼續(xù)在該條件變量下等待。

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 訪問(wèn)臨界區(qū) 
while(條件為假)
	pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

總結(jié)

以上就是我對(duì)于線程同步的總結(jié)。

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