一、線程安全

1、概念

我們這里通過(guò)理解重入與線程安全的關(guān)系來(lái)理解線程安全

線程安全即多個(gè)線程并發(fā)同一段代碼時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)果 

重入即同一個(gè)函數(shù)被不同的執(zhí)行流調(diào)用，當(dāng)前一個(gè)流程還沒(méi)有執(zhí)行完，就有其他的執(zhí)行流再次進(jìn)入，一個(gè)函數(shù)在重入的情況下運(yùn)行結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題，這樣的函數(shù)稱(chēng)為可重入函數(shù)，否則，就是不可重入函數(shù)

2、常見(jiàn)線程情況

常見(jiàn)線程不安全情況

• 不保護(hù)共享變量的函數(shù)
• 函數(shù)狀態(tài)隨著被調(diào)用，狀態(tài)發(fā)生變化的函數(shù)
• 返回指向靜態(tài)變量指針的函數(shù)
• 調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)

常見(jiàn)線程安全情況

• 每個(gè)線程對(duì)全局變量或靜態(tài)變量只有讀權(quán)限沒(méi)有寫(xiě)權(quán)限
• 類(lèi)或接口對(duì)于線程來(lái)說(shuō)是原子操作
• 多個(gè)線程之間的切換不會(huì)導(dǎo)致該接口的執(zhí)行結(jié)果存在二義性

3、常見(jiàn)重入情況

常見(jiàn)不可重入情況

• 調(diào)用了malloc或new函數(shù)，因?yàn)閙alloc函數(shù)是用全局鏈表來(lái)管理堆的
• 調(diào)用了標(biāo)準(zhǔn)IO庫(kù)函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)IO庫(kù)中很多實(shí)現(xiàn)都以不可重入的方式使用全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
• 可重入函數(shù)體內(nèi)使用了靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)可重入情況

• 不使用全局和靜態(tài)變量
• 不使用malloc或new出來(lái)的空間
• 不調(diào)用不可重入函數(shù)
• 不返回靜態(tài)或全局?jǐn)?shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)都由函數(shù)的調(diào)用者提供
• 使用本地?cái)?shù)據(jù)，或者通過(guò)制作全局?jǐn)?shù)據(jù)的本地拷貝來(lái)保護(hù)全局?jǐn)?shù)據(jù)

4、可重入與線程安全

聯(lián)系

• 函數(shù)可重入就代表著線程安全
• 函數(shù)不可重入，那就不能由多個(gè)線程使用，有可能引發(fā)線程安全問(wèn)題
• 如果一個(gè)函數(shù)中有全局變量，這么這個(gè)函數(shù)既是不可重入的又不是線程安全的

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，但可重入的一定是線程安全的
• 如果將對(duì)臨界資源的訪問(wèn)加上鎖，那么這個(gè)函數(shù)是線程安全的，但如果這個(gè)重入函數(shù)的鎖還沒(méi)釋放則會(huì)產(chǎn)生死鎖，因此是不可重入的

5、死鎖

（一）概念

死鎖是指在一組進(jìn)程或線程中的各個(gè)進(jìn)程或線程均占有不會(huì)釋放的資源，但因互相申請(qǐng)被其他進(jìn)程或線程所占用的不會(huì)釋放的資源而處于的一種永久等待的狀態(tài)

死鎖都是人為產(chǎn)生的，我們可以規(guī)避掉的

（二）死鎖的四個(gè)必要條件

• 互斥條件：一個(gè)資源只能被一個(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未使用完之前。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

（三）避免死鎖的方法

• 當(dāng)有死鎖的時(shí)候，必然是滿(mǎn)足上面這四個(gè)條件的，但滿(mǎn)足上面四個(gè)條件不一定形成死鎖，我們只要破壞上面其中任何一條條件就可以避免死鎖
• 加鎖順序一致
• 避免鎖未釋放的場(chǎng)景
• 資源一次性分配

二、線程同步

1、概念

在純互斥的場(chǎng)景下，由于我們的鎖只有少量個(gè)，多個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)鎖，但是得到鎖的只有一小部分線程，剩下的線程就會(huì)因?yàn)榈却?，產(chǎn)生 “線程饑餓” 問(wèn)題，線程饑餓本質(zhì)上就是搶奪不到鎖的線程，即搶奪不到資源的線程在等待鎖的釋放，為了避免這里的饑餓的問(wèn)題，我們就通過(guò)線程同步來(lái)在保證數(shù)據(jù)安全的前提下，讓線程按照順序訪問(wèn)臨界資源

2、條件變量

（一）概念

當(dāng)一個(gè)線程互斥的訪問(wèn)某個(gè)變量時(shí)，它可能在其他線程改變狀態(tài)之前什么也做不了，比如一個(gè)線程訪問(wèn)隊(duì)列時(shí)，發(fā)現(xiàn)隊(duì)列為空，那么它只能等待，直到其他進(jìn)程將一個(gè)節(jié)點(diǎn)添加到隊(duì)列當(dāng)中，這個(gè)時(shí)候我們就可以利用條件變量來(lái)規(guī)避這種情況

（二）調(diào)用函數(shù)

（1）初始化條件變量

#include <pthread.h>
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

• 返回值：成功返回0，失敗返回非0錯(cuò)誤碼
• cond：指向要初始化的條件變量的指針，pthread_cond_t 是一個(gè)表示條件變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型
• attr：指向條件變量屬性對(duì)象的指針，傳入NULL表示使用默認(rèn)屬性

（2）銷(xiāo)毀條件變量

#include <pthread.h>
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

• 返回值：成功返回0，失敗返回非0錯(cuò)誤碼
• cond：指向要銷(xiāo)毀的條件變量的指針

（3）等待條件被滿(mǎn)足

#include <pthread.h>
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

• 返回值：成功返回0，失敗返回非0錯(cuò)誤碼
• cond：指向要操作的條件變量的指針，條件變量用于線程之間的等待和通知機(jī)制
• mutex：指向互斥鎖的指針，互斥鎖用于保護(hù)共享資源，確保線程安全

調(diào)用該函數(shù)時(shí)，線程會(huì)自動(dòng)釋放互斥鎖mutex，以便其他線程可以獲取鎖，當(dāng)收到信號(hào)被喚醒后，線程會(huì)重新嘗試獲取互斥鎖

（4）喚醒等待線程

#include <pthread.h>
//喚醒一個(gè)等待線程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
//喚起所有等待線程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

• 返回值：成功返回0，失敗返回非0錯(cuò)誤碼
• cond：指向要操作的條件變量的指針，條件變量是一種用于線程同步的機(jī)制，允許線程在某個(gè)條件不滿(mǎn)足時(shí)阻塞，直到其他線程通知該條件已經(jīng)滿(mǎn)足

如果一個(gè)線程執(zhí)行 pthread_cond_broadcast，它會(huì)將所有等待該條件變量的線程全部喚醒，若執(zhí)行 pthread_cond_signal，則只會(huì)喚醒至少一個(gè)等待該條件變量的線程，而非只喚醒當(dāng)前線程

（三）樣例

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

using namespace std;

#define NUM 4

int cnt = 0;
//條件變量函數(shù)的用法幾乎與鎖函數(shù)的用法完全等同
//定義全局鎖和全局條件變量
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *Count(void *args)
{
    pthread_detach(pthread_self()); // 線程分離，跑完就不管了，不在乎它的返回值
	// Linux是64位機(jī)，指針是8字節(jié)，uint是unsigned long long int   
    uint64_t num = (uint64_t)args;
    cout << "Thread " << num << " is creat success" << endl;
    usleep(100000);
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        
        //這里pthread_cond_wait要在臨界區(qū)的原因是：
        //因?yàn)?pthread_cond_wait 是讓線程去等待，等待的原因一定是臨界資源不就緒
        //而臨界資源是否就緒，是通過(guò)判斷得來(lái)的，判斷也是訪問(wèn)臨界資源，所以判斷必須在加鎖之后
        pthread_cond_wait(&cond, &lock); 
        //線程在此處進(jìn)入等待狀態(tài)，等待條件變量 cond 發(fā)出信號(hào)
        
        cout << "Thread " << num << " is running... cnt: " << cnt << endl;
        cnt++;
        usleep(10000);
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

int main()
{
    for (uint64_t i = 1; i <= NUM; i++)
    {
        pthread_t tid;
        //這里的第四個(gè)參數(shù)，如果想要與新線程共享這個(gè)參數(shù)的話，可以設(shè)為(void*)&i，進(jìn)行傳址調(diào)用
        //我們這里要傳值調(diào)用，不能讓它用i
        pthread_create(&tid, nullptr, Count, (void *)i);
        usleep(1000);
    }
	//指定喚醒線程來(lái)訪問(wèn)臨界資源
    while (true)
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&cond); // 喚醒一個(gè)線程
        cout << "signal one thread..." << endl;
    }
    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。

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