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线程同步-锁-信号量

秃头王
Linux多线程开发

发布于：2022年5月31日
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低配卖票很多问题 - 进程资源的抢占

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        > File Name: selltickets.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月31日 星期二 14时28分01秒
 ************************************************************************/

/*
 *  使用多线程实现卖票案例
 *  有3个窗口,一共是100张票
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 全局变量,所有的线程都共享这一份资源 - 结果：不通的进程会卖同一张票
int tickets = 100;

void *sellticket(void *arg) {
    // 卖票
    // int tickets = 100; - 每个线程都会卖100张!
    while(tickets > 0) {
        usleep(6000);
        printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets--);
    }
    return NULL;
}

int main() {

    // 创建3个子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);


    // 回收子线程资源,阻塞 --- 可以设置线程分离
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);

    // 设置线程分离
    /*
    pthread_detach(tid1);
    pthread_detach(tid2);
    pthread_detach(tid3);
    */

    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

线程同步

  • 线程的主要优势在于，能够通过全局变量来共享信息。不过，这种便捷的共享是有代价的：必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程 修改的变量。

  • 临界区是指访问某一共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为原子操作，也就是 同时访问同一共享资源的其他线程不应终端该片段的执行。

  • 线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进 行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处 于等待状态。

互斥锁(互斥量)

  • 为避免线程更新共享变量时出现问题，可以使用互斥量（mutex 是 mutual exclusion 的缩写）来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共 享资源的原子访问。

  • 互斥量有两种状态：已锁定（locked）和未锁定（unlocked）。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将可能阻塞线程或者报 错失败，具体取决于加锁时使用的方法。

  • 一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。一般情 况下，对每一共享资源（可能由多个相关变量组成）会使用不同的互斥量，每一线程在访问 同一资源时将采用如下协议：

    • 针对共享资源锁定互斥量
    • 访问共享资源
    • 对互斥量解锁

如果多个线程试图执行这一块代码（一个临界区），事实上只有一个线程能够持有该互斥量（其他线程将遭到阻塞），即同时只有一个线程能够进入这段代码区域，如下图所示：

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互斥量(互斥锁)相关操作函数及介绍

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互斥量的类型 pthread_mutex_t
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,  const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    - 功能: 初始化互斥量
    - 参数:
        - mutex: 需要初始话的互斥量变量
        - attr: 互斥量相关的属性NULL
    - restrict: c语言的修饰符,被修饰的指针,不能由另外的一个指针进行 操作
        pthread_mutex_t *restrict = mutex = xxx;
        pthread_mutex_t *mutex1 = mutex; // 不允许
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    - 功能: 释放互斥量资源
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    - 功能: 加锁 - 阻塞,如有有一个线程加锁了那么其他线程只能阻塞等待
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
    - 功能: 尝试加锁,如果加锁失败,不会阻塞,会直接返回
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
    - 释放锁(解锁)
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        > File Name: mutex.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月31日 星期二 16时36分54秒
 ************************************************************************/

 /*
    互斥量的类型 pthread_mutex_t
    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,  const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
        - 功能: 初始化互斥量
        - 参数:
            - mutex: 需要初始话的互斥量变量
            - attr: 互斥量相关的属性NULL
        - restrict: c语言的修饰符,被修饰的指针,不能由另外的一个指针进行 操作
            pthread_mutex_t *restrict = mutex = xxx;
            pthread_mutex_t *mutex1 = mutex; // 不允许
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
        - 功能: 释放互斥量资源
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 功能: 加锁 - 阻塞,如有有一个线程加锁了那么其他线程只能阻塞等待
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 功能: 尝试加锁,如果加锁失败,不会阻塞,会直接返回
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
        - 释放锁(解锁)

*/

/*************************************************************************
        > File Name: selltickets.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月31日 星期二 14时28分01秒
 ************************************************************************/

/*
 *  使用多线程实现卖票案例
 *  有3个窗口,一共是100张票
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 创建一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;

// 全局变量,所有的线程都共享这一份资源 - (没加互斥锁的情况)结果：不通的 进程会卖同一张票
int tickets = 1000;

void *sellticket(void *arg) {

    // 卖票
    // int tickets = 100; - 每个线程都会卖100张!
    while(1) {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(tickets > 0) {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets--);
        } else {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建3个子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);


    // 回收子线程资源,阻塞 --- 可以设置线程分离
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);


    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}

死锁

  • 有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程加锁同一组互斥量时，就有可能发生死锁。

  • 两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

  • 死锁的几种场景：

    • 忘记释放锁 // pthread_mutex_trylock() 尝试加锁判断
    • 重复加锁
    • 多线程多锁，抢占锁资源

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忘记加锁 - 可替换上述函数代码 尝试运行

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void *sellticket(void *arg) {

    // 卖票
    // int tickets = 100; - 每个线程都会卖100张!
    while(1) {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(tickets > 0) {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets--);
        } else {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        // 解锁
        // pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return NULL;
}

重复加锁

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void *sellticket(void *arg) {

    // 卖票
    // int tickets = 100; - 每个线程都会卖100张!
    while(1) {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(tickets > 0) {
            usleep(6000);
            printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets--);
        } else {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return NULL;
}

多线程多锁，抢占锁资源 - C

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        > File Name: deadlock1.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月31日 星期二 19时09分34秒
 ************************************************************************/

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 创建2个互斥量
pthread_mutex_t mutex1, mutex2;

void *workA(void *arg) {

    pthread_mutex_lock(&mutex1);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex1);

    printf("workA\n");

    pthread_mutex_unlock(&mutex2);
    pthread_mutex_unlock(&mutex1);

    return NULL;
}

void *workB(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex2);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&mutex1);

    printf("workB\n");

    pthread_mutex_unlock(&mutex1);
    pthread_mutex_unlock(&mutex2);

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);
    pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);

    // 创建2个子线程
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, workA, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, workB, NULL);

    // 回收子线程资源
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex1);
    pthread_mutex_destroy(&mutex2);

    return 0;
}

读写锁

  • 当有一个线程已经持有互斥锁时，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形，当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源，而同时有其它几个线程也想 读取这个共享资源，但是由于互斥锁的排它性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读 访问共享资源了，但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。

  • 在对数据的读写操作中，更多的是读操作，写操作较少，例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了读写锁来实现。

  • 读写锁的特点：

    • 如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
    • 如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
    • 写是独占的，写的优先级高。
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读写锁的类型 pthread_rwlock_t
   int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,    const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
       - 功能: 初始化读写锁
   int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
       - 功能: 销毁
   int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
       - 功能: 加读锁
   int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
       - 功能: 尝试加读锁
   int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
       - 功能: 写锁
   int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
       - 功能: 尝试加写锁
   int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
       - 功能: 关闭写

读写锁(案例) - C

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        > File Name: rwlock.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年06月01日 星期三 10时27分52秒
 ************************************************************************/

/*
    读写锁的类型 pthread_rwlock_t
    int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,    const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
        - 功能: 初始化读写锁
    int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
        - 功能: 销毁
    int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
        - 功能: 加读锁
    int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
        - 功能: 尝试加读锁
    int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
        - 功能: 写锁
    int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
        - 功能: 尝试加写锁
    int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
        - 功能: 关闭写
*/

/*
    案例:
        创建8个线程操作同一个变量
        3个线程不定时的写这个全局变量,5个线程不定时的读这个全局变量

*/


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

// 创建一个共享数据
int num = 1;

// 创建一一个互斥量
pthread_mutex_t mutex;

// 创建一个读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;

void *readNum(void *arg) {

    while(1) {
        // pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("==read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        //pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }
    return NULL;
}

void *writeNum(void *arg) {

    while(1) {
        // pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        num++;
        printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        //pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);

    }

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化互斥量
    // pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    // 创建3个写线程,5个度
    pthread_t wtids[3], rtids[5];
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        pthread_create(&wtids[i], NULL, writeNum, NULL);
       // 设置线程分离
        pthread_detach(wtids[i]);
    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&rtids[i], NULL, readNum, NULL);
        // 设置线程分离
        // pthread_detach(rtids[i]);
    }

    /*
    for(int i = 0; i < 3; i++) {
        // 设置线程分离
        pthread_detach(wtids[i]);
    }
   for(int i = 0; i < 5; i++) {
        // 设置线程分离
        pthread_detach(rtids[i]);
    }
    */

    // 退出父进程
    pthread_exit(NULL);

    // pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

生产者消费者模型

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条件变量

条件变量函数

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条件变量的类型 pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const  pthread_condattr_t *restrict attr);
    - 功能: 初始化
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
    - 功能: 释放
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,thread_mutex_t *restrict mutex);
    - 功能: 等待,阻塞函数调用了该函数线程会阻塞
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,  pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict  abstime);
    - 功能: 等待多长时间,调用了这个函数,线程会阻塞,直到指定的时间结束
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
    - 功能: 唤醒一个或者多个等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
    - 功能: 唤醒所以的等待的线程
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        > File Name: cond.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年06月01日 星期三 19时49分46秒
 ************************************************************************/

/*
    条件变量的类型 pthread_cond_t
    int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const  pthread_condattr_t *restrict attr);
        - 功能: 初始化
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
        - 功能: 释放
    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,thread_mutex_t *restrict mutex);
        - 功能: 等待,阻塞函数调用了该函数线程会阻塞
    int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond,  pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict  abstime);
        - 功能: 等待多长时间,调用了这个函数,线程会阻塞,直到指定的时间结 束
    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
        - 功能: 唤醒一个或者多个等待的线程
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
        - 功能: 唤醒所以的等待的线程

*/

/*
 *  生产者消费者模型(粗略版本)
 */

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

typedef struct Node {
    int num;
    struct Node *next;
} Node;

// 头节点
struct Node *head = NULL;
// 互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 创建一个条件变量
pthread_cond_t cond;

void *producer(void *arg) {

    // 不断的创建新的节点,添加到链表中
    while(1) {

        pthread_mutex_lock(&mutex);

        Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
        newNode->num = rand() % 1000;
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());

        // 只要生成了一个,就通知消费者消费
        pthread_cond_signal(&cond);

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *customer(void *arg) {

    while(1) {

        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(head != NULL) {

            // 保存头节点的指针
            Node *temp = head;
            head = head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", temp->num, pthread_self());
            free(temp);
        } else {
            // 没有数据需要等待
            // 当这个函数调用阻塞时候会对互斥锁进行解锁,当不阻塞的，继续向下执行,会重新加锁
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
        }

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化信号量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    // 初始化条件变量
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    // 创建5个生成者线程和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);

    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&cond);
    pthread_exit(NULL);


    return 0;
}

信号量

信号量函数

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信号量的类型 sem_t
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
    - 功能: 初始化信号量
    - 参数:
        - sem: 信号量的的地址
        - pshared: 0用在线程间、非0用在进程间
        - value: 信号量中的值
int sem_destroy(sem_t *sem);
    - 功能: 释放资源
int sem_wait(sem_t *sem);
    - 功能: 对信号量加锁,对这个信号量的值减1,如果值为0,就阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem);
    - 功能: 尝试
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
    - 功能: 等待多长的时间
int sem_post(sem_t *sem);
    - 功能: 对信号量解锁,调用一次对信号的值加1
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
    - 功能: 获取
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/*************************************************************************
        > File Name: semaphore.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年06月02日 星期四 13时35分42秒
 ************************************************************************/

/*
    信号量的类型 sem_t
    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
        - 功能: 初始化信号量
        - 参数:
            - sem: 信号量的的地址
            - pshared: 0用在线程间、非0用在进程间
            - value: 信号量中的值
    int sem_destroy(sem_t *sem);
        - 功能: 释放资源
    int sem_wait(sem_t *sem);
        - 功能: 对信号量加锁,对这个信号量的值减1,如果值为0,就阻塞
    int sem_trywait(sem_t *sem);
        - 功能: 尝试
    int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
        - 功能: 等待多长的时间
    int sem_post(sem_t *sem);
        - 功能: 对信号量解锁,调用一次对信号的值加1
    int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
        - 功能: 获取

    // 生
    sem_t pesm;
    // 消
    sem_t csem;
    init(pesm, 0, 8);
    init(csem, 0, 0);

    // 生产
    prodicer() {
        sem_wait(&osem);
        sem_post(&csem);
    }

    // 消费
    customer() {
        sem_wait(&csem);
        sem_post(&pesm);

    }

*/

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

typedef struct Node {
    int num;
    struct Node *next;
} Node;

// 头节点
struct Node *head = NULL;
// 互斥量
pthread_mutex_t mutex;
// 信号量
sem_t psem;
sem_t csem;

void *producer(void *arg) {

    // 不断的创建新的节点,添加到链表中
    while(1) {

        sem_wait(&psem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
        newNode->num = rand() % 1000;
        newNode->next = head;
        head = newNode;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());

        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&csem);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *customer(void *arg) {

    while(1) {
        sem_wait(&csem);
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if(head != NULL) {

            // 保存头节点的指针
            Node *temp = head;
            head = head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", temp->num, pthread_self());
            free(temp);
        }
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
        sem_post(&psem);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

int main() {

    // 初始化信号量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
        // 信号量初始化
        sem_init(&psem, 0, 8);
    sem_init(&csem, 0, 0);

    // 创建5个生成者线程和5个消费者线程
    pthread_t ptids[5], ctids[5];
    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);

    }

    for(int i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_detach(ptids[i]);
        pthread_detach(ctids[i]);
    }

    while(1) {
        sleep(10);
    }

    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

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更新于：2022年6月4日

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