Linux 线程安全

一、线程安全的概念

线程安全即就是在多线程运行的时候，不论线程的调度顺序怎样，最终的结果都是一样的、正确的。那么就说这些线程是安全的。

二、如何保证线程安全

1.线程同步

保证同一时刻只有一个线程访问临界资源。线程同步的方法有4种，信号量、互斥锁、读写锁、条件变量。

2.使用线程安全的函数

在多线程中使用线程安全的函数（可重入函数），所谓线程安全的函数指的是：如果一个函数能被多个线程同时调用且不发生竟态条件，则我们程它是线程安全的。

三、线程安全的函数的应用

【例】在两个线程中分别对一个字符串进行分隔的问题

字符串分隔函数：

在这里插入图片描述
第一次调用结束后，第二次调用的时候给第一个参数传空，就可以沿着原来的字符串继续分隔拿到第二段分割好的字符串。

第一次没有使用线程安全函数的情况的代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<semaphore.h>

void* fun(void*arg)
{
    char arr[128]="a b c d e f";//定义一个字符串
    //以空格作为字符串buff的分隔符，将分隔好的字符串内容返回给s
    char* s =strtok(arr," ");
    while(s!=NULL)//如果s为空结束循环，s为空说明字符串buff已经被分隔完了
    {
        printf("fun分隔字符串arr得到的内容为：%s\n",s);
        s=strtok(NULL," ");
        sleep(1);
    }
}


int main()
{
    pthread_t id;
    pthread_create(&id,NULL,fun,NULL);

    char brr[128]="1 2 3 4 5 6";
    char* p =strtok(brr," ");
    while(p!=NULL)
    {
        printf("main分隔字符串brr得到的内容为：%s\n",p);
        p=strtok(NULL," ");
        sleep(1);
    }
    pthread_join(id,NULL);
    exit(0);
}

运行结果：

在这里插入图片描述

结果分析：

这样的运行结果并不是我们所期望的结果，我们希望fun函数分隔字符串arr，main函数分隔字符串brr，但是上面的程序中，main函数却去分隔了fun函数中的字符串arr，子线程fun和主线程main之间彼此影响，然而这并不是我们所期望的。

出现上面结果的原因是，strtok()函数的内部有一个指针用来记录把字符串分隔到哪个位置，这个指针大概率是一个静态变量指针，这样做有一个弊端，就是在线程fun和线程main中调用strtok()这个函数的时候访问静态变量是同一快空间，当线程fun中去调用这个strtok()函数去记录当前的字符串arr被分隔到了哪个位置，但是在线程main中也调用了strtok()这个函数去记录当前的字符串brr被分隔到了哪个位置，意味着线程fun和线程main都要去修改同一块空间中的内容。也就是说，fun线程和main线程都在调用strtok()这个函数，在这两个线程中调用strtok()函数的两条路径同时在执行，strtok()函数中的那个记录字符串分隔位置的指针是一个静态变量，我们在程序中看到在线程fun和main中好像各自都给strtok()函数的这个静态变量分配了一块空间，但是其实不是的，因为在物理内存空间上，这两个线程中strtok()函数的这两块静态变量的空间用的是同一块空间。所以，如果在某一个线程中修改了这块空间中静态变量的值，那么对于另外一个线程来说，这个静态变量的值也发生了变化，因此，这两个线程在运行的时候就会彼此影响，导致最终输出的结果并不是我们所期望的。也就是如果要在多线程中去同时strtok()方法，那么是不可以的，因为strtok()这个方法不是线程安全的。strtok()方法压根就不可以在多线程中使用，因为strtok()函数内部有静态变量，在多线程中同时执行得话，每条路径访问到的静态变量就是同一个，每个线程去记录这个静态变量得信息的时候就会冲突，信息就会被覆盖，程序的执行结果就会产生问题。

比如上图的结果就是因为，main线程和fun线程中调用strtok()函数这两条路径同时执行，第一次分隔之后都得到了对应被分隔的字符串，但是第二次分隔的时候，因为传入的参数为NULL，要从上一次结束的位置去继续分隔字符串，由于上一次分隔字符串结束的位置在fun线程中的arr字符串中，所以当main线程执行的时候，它接收到的被分隔好的字符串是从arr中分隔来的，后续分隔的字符串也都是对arr字符串进行分隔。解决这个问题的思路就是，让两个线程自己用自己的空间，分别记录当前字符串被分隔到哪里，就需要用到这个函数的线程安全版本strtok_r()。

有一类库函数之前都不是线程安全的，引用多线程之后都会存在问题，为之实现了一个多线程的版本，称之为线程安全的版本。这样的函数有很多，比如当前的strtok()函数，它的线程安全版本如下：

在这里插入图片描述

第三个参数 saveptr：是一个二级指针，它需要传入一个指针，传入一个指针以后，通过传入得指针来记录当前字符串被分隔到哪里。这样的话每一个线程都会自己定义这样一个指针，来分别记录它们分隔得字符串分隔到哪个位置，这时，两个线程就不共用同一块空间了。

使用线程安全函数strtok_r()的代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<semaphore.h>

void* fun(void*arg)
{
    char arr[128]="a b c d e f";//定义一个字符串
    //以空格作为字符串buff的分隔符，将分隔好的字符串内容返回给s
    char* n=NULL;//定义一个空指针，用这个指针就用来记录字符串分隔的位置
    char* s =strtok_r(arr," ",&n);
    
    while(s!=NULL)//如果s为空结束循环，s为空说明字符串buff已经被分隔完了
    {
        printf("fun分隔字符串arr得到的内容为：%s\n",s);
        s=strtok_r(NULL," ",&n);
        sleep(1);
    }
}


int main()
{
    pthread_t id;
    pthread_create(&id,NULL,fun,NULL);

    char brr[128]="1 2 3 4 5 6";
    char* m=NULL;
    char* p =strtok_r(brr," ",&m);

    while(p!=NULL)
    {
        printf("main分隔字符串brr得到的内容为：%s\n",p);
        p=strtok_r(NULL," ",&m);
        sleep(1);
    }
    pthread_join(id,NULL);
    exit(0);
}