线程同步

线程同步

         同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

         线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。

         “同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。

         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。

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。

一、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。

注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

主要应用函数：

 pthread_mutex_init函数

 pthread_mutex_destroy函数

 pthread_mutex_lock函数

 pthread_mutex_trylock函数

 pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。   

pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。

pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

         参1：传出参数，调用时应传 &mutex      

         参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 

1. 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g.  pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
2. 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g.  pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

销毁一个互斥锁

         int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函数

加锁。可理解为将mutex--（或-1）

         int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函数

解锁。可理解为将mutex ++（或+1）

         int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函数

尝试加锁

         int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

lock与unlock：

         lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。

         unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。

lock与trylock：

         lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。

         trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

二、死锁

产生原因

       1. 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。

       2. 线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

　　3、振荡

避免方法

　　1、保证资源的获取顺序，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

三、读写锁

　　　与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享，写锁优先级高。

主要应用函数：

         pthread_rwlock_init函数

         pthread_rwlock_destroy函数

         pthread_rwlock_rdlock函数 

         pthread_rwlock_wrlock函数

         pthread_rwlock_tryrdlock函数

         pthread_rwlock_trywrlock函数

         pthread_rwlock_unlock函数

以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。  

         pthread_rwlock_t类型   用于定义一个读写锁变量。

         pthread_rwlock_t rwlock;

使用场景：适用于对数据结构读的次数远大于写

四、条件变量：

         条件变量本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

　　  优点：相对mutex而言，减少不必要的竞争

如果直接使用mutex，除了生产者、消费者之间需要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但是如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间惊蛰互斥锁是没有意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才回引起消费者之间的竞争。提高程序效率

主要应用函数：

         pthread_cond_init函数

         pthread_cond_destroy函数

         pthread_cond_wait函数

         pthread_cond_timedwait函数

         pthread_cond_signal函数  　　　　唤醒（至少）一个阻塞在条件变量上的线程

         pthread_cond_broadcast函数　　　唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。

         pthread_cond_t类型      用于定义条件变量

         pthread_cond_t cond;

pthread_cond_wait函数
作用：阻塞等待一个条件变量

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

函数作用：
1、阻塞等待条件变量cond（参1）满足 
2、释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);
 　//1.2.两步为一个原子操作。
3、当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

 生产者消费者模型，见下一节

pthread_cond_timedwait函数
限时等待一个条件变量

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

         参3：参看man sem_timedwait函数，查看struct timespec结构体。

         struct timespec {

                time_t tv_sec;          /* seconds */ 秒

                long   tv_nsec;      /* nanosecondes*/ 纳秒

         }                                                                        

　　形参abstime：绝对时间。                                                                                     

如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。   

        struct timespec t = {1, 0};

        pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 只能定时到 1970年1月1日 00:00:01秒(早已经过去)

 正确用法：

   time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

　 struct timespec t;    定义timespec 结构体变量t

   t.tv_sec = cur+1; 定时1秒

pthread_cond_timedwait (&cond, &mutex, &t); 传参                             参APUE.11.6线程同步条件变量小节

在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：

    struct timeval {

         time_t      tv_sec;  /* seconds */ 秒

         suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒

    };

 五、信号量

可以理解为进化版的互斥锁（1-->N）

　　由于互斥锁的粒度比较大，若我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，但无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异

　　信号量，是相对这种的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

主要应用函数：

         sem_init函数

         sem_destroy函数

         sem_wait函数

         sem_trywait函数  

         sem_timedwait函数      

         sem_post函数

以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)

         sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。

　　  sem_t sem; 规定信号量sem不能 < 0。头文件 <semaphore.h>

信号量基本操作：

sem_wait:        1. 信号量大于0，则信号量--                （类比pthread_mutex_lock）

           |             2. 信号量等于0，造成线程阻塞

         对应

           | 

sem_post：     将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程         （类比pthread_mutex_unlock）

但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。

信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。

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生产者消费者信号量模型（见下章）

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