Linux之线程互斥

一、问题引入

二、线程互斥

1、相关概念

2、加锁保护

1、静态分配

2、动态分配

3、锁的原理

4、死锁

三、可重入与线程安全

1、概念

2、常见的线程不安全的情况

3、常见的线程安全的情况

4、常见不可重入的情况

5、常见可重入的情况

6、可重入与线程安全联系

7、可重入与线程安全区别

一、问题引入

大部分情况，线程使用的数据都是局部变量，变量的地址空间在线程栈空间内，这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量。
但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享变量，可以通过数据的共享，完成线程之间的交互。多个线程并发的操作共享变量，会带来一些问题。

我们来看看下面的多线程抢票系统的代码：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <pthread.h>

using namespace std;

int ticket = 100;

void *getticket(void *arg)
{
    char *name = (char *)arg;
    while (true)
    {
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            cout << name << ":"
                 << " " << ticket << endl;
            ticket--;
        }
        else
            break;
    }
}

int main()
{
    pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
    pthread_create(&tid1, nullptr, getticket, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, getticket, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, getticket, (void *)"thread 3");
    pthread_create(&tid4, nullptr, getticket, (void *)"thread 4");

    pthread_join(tid1, nullptr);
    pthread_join(tid2, nullptr);
    pthread_join(tid3, nullptr);
    pthread_join(tid4, nullptr);

    return 0;
}

这里的ticket变量是一个全局变量，那么它就会被所有线程共享。创建线程后，所有线程访问getticket函数，对其进行了重入，访问ticket并对ticket--。但是，我们发现，票数出现了负数，这完全不符合我们的代码逻辑和想要的结果。这是为什么呢？

首先，程序在编译的时候会被编译成汇编代码，而在汇编代码中，ticket--操作在我们看来只有一行代码，但是在汇编中它其实分为了三步：1、将ticket值拷入到CPU寄存器中；2、CPU对其进行--操作；3、将结果写回内存。

而我们知道进程是有时间片的，在执行完上面任意一步时，线程可能因为时间片到了而被切换。而这就会造成一些问题。如下图：

线程A先进入，在完成第二步 -- 操作后，因为时间片到了，要被切换出去，99作为上下文数据被保存起来随A一起被切换。线程B进入，因为B的时间片比较长，他把ticket值减到了50并写回了内存后，时间片到了，被切换。线程A再次进入CPU，把上下文恢复，然后接着第3步执行，直接把99写到了内存里面。

线程B明明已经让ticket的值减到了50，结果你个线程A又直接把结果改成了99。这样就出现了数据错乱的现象。

在我们对ticket进行并发访问的时候，由于ticket- - 操作并不是原子的，所以出现了数据不一致的情况。这种情况怎么解决呢？我们接着往下讲。

二、线程互斥

1、相关概念

1、临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源。
2、临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区。
3、互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用。
4、原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。

2、加锁保护

为了解决上面代码的数据不一致的问题，需要做到三点：

1、代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。

2、如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。

3、如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

而其中最简单的一种方法就是对临界资源进行加锁保护。以达到下面的效果：

定义和初始化锁的函数：

NAME
       pthread_mutex_destroy, pthread_mutex_init - destroy and initialize a mutex

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

       1、int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
       2、int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,
              const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

       3、pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_t 是由原生线程库给用户提供的一个数据类型，就是我们常说的锁。上图的 1和2 是对锁进行局部定义时的销毁和初始化操作，相当于析构函数和构造函数。

上图的 3 是对全局锁或者static静态锁进行初始化的方式。下面我们一一讲解。

加锁和解锁函数：

发起函数调用时，其他线程已经锁定互斥量，或者存在其他线程同时申请锁，但没有竞争到互斥量，那么pthread_ lock调用会陷入阻塞(执行流被挂起)，等待互斥量解锁，再去申请锁。

NAME
       pthread_mutex_lock,  pthread_mutex_trylock,  pthread_mutex_unlock  -  lock   and
       unlock a mutex

SYNOPSIS
       #include <pthread.h>

       int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
       int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

1、静态分配

静态分配就是我们 3 对应的对锁定义和初始化的方式。我们使用它对抢票代码进行保护。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <time.h>
#include <pthread.h>

using namespace std;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int ticket = 100;

void *getticket(void *arg)
{
    char *name = (char *)arg;
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁保护，其他线程只能在这阻塞等待，直到拿到锁
        if (ticket > 0)             // 这部分代码只能串行执行
        {
            usleep(rand() % 10000);
            cout << name << ":"
                 << " " << ticket << endl;
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(&mutex); // 访问完临界资源，解锁，
            // 让其他线程能够拿锁访问
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex); // 访问完临界资源，解锁
            // 让其他线程能够拿锁访问
            break;
        }
        usleep(rand() % 2000000);
    }
    return nullptr;
}

int main()
{
    srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 433);
    pthread_t tid1, tid2, tid3, tid4;
    pthread_create(&tid1, nullptr, getticket, (void *)"thread 1");
    pthread_create(&tid2, nullptr, getticket, (void *)"thread 2");
    pthread_create(&tid3, nullptr, getticket, (void *)"thread 3");
    pthread_create(&tid4, nullptr, getticket, (void *)"thread 4");

    pthread_join(tid1, nullptr);
    pthread_join(tid2, nullptr);
    pthread_join(tid3, nullptr);
    pthread_join(tid4, nullptr);

    return 0;
}

注：加锁的时候，一定要保证加锁粒度越小越好。最好不要让一些非临界区也被加锁保护。

2、动态分配

如果我们定义的锁是一个局部变量，那么我们就要像下面的代码这样使用锁：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <time.h>
#include <pthread.h>

using namespace std;
#define THREAD_NUM 5

class threaddata
{
public:
    threaddata(const string &s, pthread_mutex_t *m)
        : name(s), mtx(m)
    {}

public:
    string name;
    pthread_mutex_t *mtx;
};

int ticket = 100;

void *getticket(void *arg)
{
    threaddata *td = (threaddata *)arg;
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(td->mtx);
        if (ticket > 0)              
        {
            usleep(rand() % 10000);
            cout << td->name << ":"
                 << " " << ticket << endl;
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(td->mtx);
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(td->mtx);
            break;
        }
        usleep(rand() % 2000000);
    }
    delete td;
    return nullptr;
}

int main()
{
    pthread_mutex_t mtx;
    pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);

    srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 433);
    pthread_t t[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
    {
        string name = "thread ";
        name += to_string(i + 1);
        threaddata *td = new threaddata(name, &mtx);
        pthread_create(t + i, nullptr, getticket, (void *)td);
    }

    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
        pthread_join(t[i], nullptr);

    pthread_mutex_destroy(&mtx);

    return 0;
}

3、锁的原理

通过加锁，我们能够保证执行临界资源的操作是原子的。可是，访问临界资源时，多个线程要申请同一把锁，那么就必须要能够看到同一把锁，那么这个锁不就成了一个临界资源了吗，那锁是怎么保证自己的安全的呢？

为了保证锁的安全，申请和释放锁的操作也必须是原子的。如何保证呢？

在汇编的角度，如果只有一行汇编语句，我们就认为该汇编语句的执行是原子的。一般来说，是使用swap或exchange指令，以一条汇编语句，将内存和CPU寄存器的数据进行交换。如下图：

线程a是第一个申请锁的。它先将 %al 的内容写成 0，然后交换 %al 和 mutex 的内容，%al 为 1，mutex为0。接着，判断%al的内容 >0，返回，成功拿到锁。线程a切出，寄存器%al的数据作为上下文随线程a一起切出。（当然，线程a可能在任何时候被切出，这是线程a时间片比较长的情况）。

线程b，接着申请锁。它也先将 %al 的内容写成 0，然后交换 %al 和 mutex 的内容，%al 为 0，mutex为0。接着，判断%al的内容不大于0，于是线程b挂起等待。只有线程a将锁释放后，才能重新申请锁。