线程安全与互斥

3.线程安全

• 3.1线程不安全
  • 多个线程并发/并行运行的时候，会导致程序结果的二义性。
  • 举个例子：

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  • 如何解决线程不安全，互斥锁，详细内容往下看

4.互斥

• 4.1互斥的要做的事情:控制线程的访问时序。
  • 当多个线程能够同时访问到临界资源的时候，有可能会导致线程执行的结果产生二义性。
  • 而互斥就是要保证多个线程在访问同一个临界资源，执行临界区代码的时候(非原子性性操作，线程可以被打断)，控制访问时序。让一个线程独占临界资源执行完，再让另外一个独占执行。
• 4.2互斥锁:
  • 互斥锁的原理：互斥锁的本质就是0/1计数器,计数器的取值只能为0或者1。
    • 计数器的值为1:表示互斥锁空闲，当前线程可以获取到互斥锁，从而去访问临界资源；
    • 计数器的值为0:表示互斥锁已被获取，当前线程不可以获取到互斥锁，从而不能访问临界资源；
    • 例子：前提条件是在代码当中用同一个互斥锁,去约束多个线程。
      • 假如有两个线程，线程A，线程B，两个线程要去访问同一个临界资源，为了控制访问时序，加了一个互斥锁，线程在访问临界资源时，需要先拿到互斥锁。假设线程A先获取到互斥锁，线程A就可以去访问临界资源，且计数器的值由1变为0，线程A访问临界资源的过程中，线程B发现计数器的值为0，无法获取互斥锁，线程B就会一直阻塞等待互斥锁，线程B就不能访问临界资源，当线程A 执行完临界区代码，把互斥锁释放了，即计数器的值由0变为1，线程B才有可能能获取到互斥锁，然后去访问临界资源，将计数器的值又由1变为0，其他线程就不能去访问临界资源；就不会存在当一个线程正在访问临界资源时，被另一个线程打断的情况。
      • 还有一种情况：假设线程A先获取到互斥锁，线程A就可以去访问临界资源，且计数器的值由1变为0，由于线程A的临界区代码比较复杂，执行时间比较长，还没等线程A执行完，就被操作系统调度，剥离CPU资源，虽然线程A被切换下来，但是，其他线程还是不能访问临界资源，因为线程A被切换下来的时候，互斥锁也被A带走了，其他线程就无法获取获取互斥锁，只有当线程A再次被调度，执行完临界区代码，释放了互斥锁，其他线程才有可能获取互斥锁，访问临界资源。
  • 需要理解的是:并不是说线程不获取互斥锁不能访问临界资源，而是程序员需要在代码当中用同一个互斥锁,去约束多个线程。否则线程A加锁访问，线程B访问临界资源之前不加锁，那也约束不了线程B
  • 那问题来了，计数器当中的值从O变成1，或者从1变成0，这是咋变换的呢，加加减减吗，肯定不是。
• 4.3 互斥锁的计数器当中如何保证原子性
  • 为什么计数器当中的值从O变成1，或者从1变成0是原子性的呢?
    • 因为直接使用寄存器当中的值和计数器内存的值交换,而交换是一条汇编指令就可以完成的，汇编指令是最小单位，一步就可以完成，不存在中间状态，因此计数器当中的值从O变成1，或者从1变成0是原子性操作。
  • 加锁的时候:寄存器当中的值设置为（0)，（在交换之前，都把寄存器的值初始化为0）
    • 第一种情况:计数器的值为1，说明锁空闲，没有被线程加锁
      • 加锁成功

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      • 交换完毕之后，判断寄存器中的值是否为1，如果是1，则加锁成功，如果是0，则加锁失败
      • 交换完毕之后，检测到寄存器中的值为1，那说明原来计数器的值为1，锁空闲
    • 第二种情况:计数器的值为0，说明锁忙碌，被其他线程加锁拿走
      • 加锁失败
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      • 交换完毕之后，检测到寄存器中的值为0，那说明原来计数器的值为0，锁忙碌 
    • 写了个伪码，参考参考
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• 4.4互斥锁的接口
  • 4.4.1初始化互斥锁的接口
    • 动态初始化:
      • int pthread_mutex_init (pthread_mutex_t* mutex, const pthread_mutexattr_t*attr)
        • pthread_mutex_t ：互斥锁的类型，是一个结构体
        • mutex：互斥锁变量
        • attr：互斥锁的属性，一般传递NULL
    • 静态初始化:
      • pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
        • #define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER { { 0, 0, 0, 0, 0, 0, { 0, 0 } } }
  • 4.4.2加锁
    • int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
      • 互斥锁的阻塞加锁接口，拿不到锁就阻塞等待，直到拿到锁
      • 将初始化好的互斥锁mutex传递到pthread_mutex_lock函数中，然后进行寄存器和计数器里面的值的交换操作，要么加锁成功，要么加锁失败。
    • 只加锁而不释放锁，这把锁变成死锁
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    • int pthread_mutex_trylock(pthread _mutex_t *mutex) ;
      • 互斥锁的非阻塞解锁接口。
      • 拿到锁了，该函数正常返回，返回值为0;拿锁的时候，锁是被其他进程占有的，拿不到锁，也直接返回了，返回错误号以指示错误。
      • 需要搭配循环来使用的!否则加锁失败之后，我们没有判断，直接访问临界资源，就达不到互斥的目的了。
    • int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);

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      • 调用带有超时时间的加锁接口
        • 锁空闲:
          • 直接加锁成功后返回
        • 锁忙碌:
          • 等待，在等待时间范围内，锁被其他线程释放了，就可以获取互斥锁，加锁成功，函数返回，如果超过了等待时间范围，锁还没有被其他线程释放，该函数直接返回
  • 4.4.3 解锁接口:
    • int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t * mutex) ;
      • mutex:传递互斥锁变量
    • 1.在while循环结束后解锁
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    • 2.在while循环体内部加锁和解锁

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      • 为啥会自己先知道锁已被解开，很大因素就是当前线程的时间片还没到，可以继续运行。
    • 3.在线程所有有可能退出的地方都进行解锁!
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  • 解锁的时机
    • 在线程所有有可能退出的地方都进行解锁!，否则就有可能导致死锁（退出的线程将互斥锁带走了，其他等待的线程永远不可能拿到互斥锁了)
  • 4.4.4 销毁
    • int pthread_mutex_destroy (pthread_mutex_t *mutex) ;
      • 如果是动态初始化互斥锁的，需要调用销毁接口。如果是静态初始化互斥锁的，就不需要销毁了。