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  • 线程同步

    同步概念

           所谓同步,即同时起步,协调一致。不同的对象,对“同步”的理解方式略有不同。如,设备同步,是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考;数据库同步,是指让两个或多个数据库内容保持一致,或者按需要部分保持一致;文件同步,是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等

           而,编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调,按预定的先后次序运行。

    线程同步

           同步即协同步调,按预定的先后次序运行。

           线程同步,指一个线程发出某一功能调用时,在没有得到结果之前,该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性,不能调用该功能。

    举例1: 银行存款 5000。柜台,折:取3000;提款机,卡:取 3000。剩余:2000

    举例2: 内存中100字节,线程T1欲填入全1, 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu,T2执行,会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1,当执行结束,内存中的100字节,既不是全1,也不是全0。

           产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱,线程需要同步。

           “同步”的目的,是为了避免数据混乱,解决与时间有关的错误。实际上,不仅线程间需要同步,进程间、信号间等等都需要同步机制。

           因此,所有“多个控制流,共同操作一个共享资源”的情况,都需要同步。

    数据混乱原因:

           1. 资源共享(独享资源则不会)     

    2. 调度随机(意味着数据访问会出现竞争) 

    3. 线程间缺乏必要的同步机制。

           以上3点中,前两点不能改变,欲提高效率,传递数据,资源必须共享。只要共享资源,就一定会出现竞争。只要存在竞争关系,数据就很容易出现混乱。

           所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候,出现互斥。

    互斥量mutex

    Linux中提供一把互斥锁mutex(也称之为互斥量)。

    每个线程在对资源操作前都尝试先加锁,成功加锁才能操作,操作结束解锁。

           资源还是共享的,线程间也还是竞争的,                                               

           但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作,而后与时间有关的错误也不会再产生了。

     

           但,应注意:同一时刻,只能有一个线程持有该锁。

           当A线程对某个全局变量加锁访问,B在访问前尝试加锁,拿不到锁,B阻塞。C线程不去加锁,而直接访问该全局变量,依然能够访问,但会出现数据混乱。

           所以,互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”(又称“协同锁”),建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但,并没有强制限定。

           因此,即使有了mutex,如果有线程不按规则来访问数据,依然会造成数据混乱。

    主要应用函数:

        pthread_mutex_init函数
        pthread_mutex_destroy函数
        pthread_mutex_lock函数
        pthread_mutex_trylock函数
        pthread_mutex_unlock函数

    以上5个函数的返回值都是:成功返回0, 失败返回错误号。 

    pthread_mutex_t 类型,其本质是一个结构体。为简化理解,应用时可忽略其实现细节,简单当成整数看待。
    pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0

    pthread_mutex_init函数

    初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1

           int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

           参1:传出参数,调用时应传 &mutex   

           restrict关键字:只用于限制指针,告诉编译器,所有修改该指针指向内存中内容的操作,只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改

           参2:互斥量属性。是一个传入参数,通常传NULL,选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性

    1. 静态初始化:如果互斥锁 mutex 是静态分配的(定义在全局,或加了static关键字修饰),可以直接使用宏进行初始化。e.g.  pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    2. 动态初始化:局部变量应采用动态初始化。e.g.  pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

    pthread_mutex_destroy函数

    销毁一个互斥锁

           int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

    pthread_mutex_lock函数

    加锁。可理解为将mutex--(或-1)

           int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

    pthread_mutex_unlock函数

    解锁。可理解为将mutex ++(或+1)

           int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

    pthread_mutex_trylock函数

    尝试加锁

           int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

    加锁与解锁

    lock与unlock:

           lock尝试加锁,如果加锁不成功,线程阻塞,阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。

           unlock主动解锁函数,同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒,至于哪个线程先被唤醒,取决于优先级、调度。默认:先阻塞、先唤醒。

           例如:T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功,其他线程均阻塞,直至T1解锁。T1解锁后,T2 T3 T4均被唤醒,并自动再次尝试加锁。

           可假想mutex锁 init成功初值为1。      lock 功能是将mutex--。  unlock将mutex++

    lock与trylock:

           lock加锁失败会阻塞,等待锁释放。

           trylock加锁失败直接返回错误号(如:EBUSY),不阻塞。

    加锁步骤测试:

           看如下程序:该程序是非常典型的,由于共享、竞争而没有加任何同步机制,导致产生于时间有关的错误,造成数据混乱:

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    
    void *tfn(void *arg)
    {
        srand(time(NULL));
        while (1) {
    
            printf("hello ");
            sleep(rand() % 3);    /*模拟长时间操作共享资源,导致cpu易主,产生与时间有关的错误*/
            printf("world
    ");
            sleep(rand() % 3);
        }
        return NULL;
    }
    int main(void)
    {
        pthread_t tid;
        srand(time(NULL));
        pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
        while (1) {
            printf("HELLO ");
            sleep(rand() % 3);
            printf("WORLD
    ");
            sleep(rand() % 3);
        }
        pthread_join(tid, NULL);
        return 0;
    }        

    【练习】:修改该程序,使用mutex互斥锁进行同步。                                                               

    1. 定义全局互斥量,初始化init(&m, NULL)互斥量,添加对应的destry
    2. 两个线程while中,两次printf前后,分别加lock和unlock
    3. 将unlock挪至第二个sleep后,发现交替现象很难出现。

    线程在操作完共享资源后本应该立即解锁,但修改后,线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁,这两个库函数本身不会阻塞。

    所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此,另外一个线程很难得到加锁的机会。

    1. main 中加flag = 5 将flg在while中--  这时,主线程输出5次后试图销毁锁,但子线程未将锁释放,无法完成。
    2. main 中加pthread_cancel()将子线程取消。                                                             【pthrd_mutex.c】

    结论:

           在访问共享资源前加锁,访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

    /***
    mutex.c
    ***/
    #include<stdio.h>
    #include<string.h>
    #include<pthread.h>
    #include<unistd.h>
    #include<stdlib.h>
    
    pthread_mutex_t mutex;
    
    void *tfn(void *arg)
    {
        srand(time(NULL));
        while(1)
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
    
            printf("Hello ");
            sleep(rand() % 3);
            printf("world
    ");
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
    
            sleep(rand()%3);
        }
    
        return NULL;
    }
    
    int main()
    {
        int flag = 5;
        pthread_t tid;
        srand(time(NULL));
    
        pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
        pthread_create(&tid,NULL,tfn,NULL);
        while(flag--)
        {
            pthread_mutex_lock(&mutex);
    
            printf("HELLO ");
            sleep(rand() % 3);
            printf("WORLD
    ");
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            
            sleep(rand() % 3);
        }
    
        pthread_cancel(tid);
        pthread_join(tid,NULL);
    
        pthread_mutex_destroy(&mutex);
    
        return 0;
    }

    运行结果:

    ubuntu1604@ubuntu:~/wangqinghe/linux/20190820$ ./mutex

    HELLO WORLD

    Hello world

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/wanghao-boke/p/11384795.html
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