多线程的同步与互斥（互斥锁、条件变量、读写锁、自旋锁、信号量）
一、同步与互斥的概念
现代操作系统基本都是多任务操作系统，即同时有大量可调度实体在运行。在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能：
- 都需要访问/使用同一种资源；
- 多个任务之间有依赖关系，某个任务的运行依赖于另一个任务。
【同步】：
是指散步在不同任务之间的若干程序片断，它们的运行必须严格按照规定的某种先后次序来运行，这种先后次序依赖于要完成的特定的任务。最基本的场景就是：两个或两个以上的进程或线程在运行过程中协同步调，按预定的先后次序运行。比如 A 任务的运行依赖于 B 任务产生的数据。
【互斥】：
是指散步在不同任务之间的若干程序片断，当某个任务运行其中一个程序片段时，其它任务就不能运行它们之中的任一程序片段，只能等到该任务运行完这个程序片段后才可以运行。最基本的场景就是：一个公共资源同一时刻只能被一个进程或线程使用，多个进程或线程不能同时使用公共资源。
二、互斥锁（同步）
在多任务操作系统中，同时运行的多个任务可能都需要使用同一种资源。这个过程有点类似于，公司部门里，我在使用着打印机打印东西的同时（还没有打印完），别人刚好也在此刻使用打印机打印东西，如果不做任何处理的话，打印出来的东西肯定是错乱的。
在线程里也有这么一把锁——互斥锁（mutex），互斥锁是一种简单的加锁的方法来控制对共享资源的访问，互斥锁只有两种状态,即上锁( lock )和解锁( unlock )。
【互斥锁的特点】：
1. 原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量；
2. 唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量；
3. 非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。
【互斥锁的操作流程如下】：
1. 在访问共享资源后临界区域前，对互斥锁进行加锁；
2. 在访问完成后释放互斥锁导上的锁。在访问完成后释放互斥锁导上的锁；
3. 对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。对互斥锁进行加锁后，任何其他试图再次对互斥锁加锁的线程将会被阻塞，直到锁被释放。
#include <pthread.h>
#include <time.h>
// 初始化一个互斥锁。
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,
const pthread_mutexattr_t *attr);
// 对互斥锁上锁，若互斥锁已经上锁，则调用者一直阻塞，
// 直到互斥锁解锁后再上锁。
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
// 调用该函数时，若互斥锁未加锁，则上锁，返回 0；
// 若互斥锁已加锁，则函数直接返回失败，即 EBUSY。
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
// 当线程试图获取一个已加锁的互斥量时，pthread_mutex_timedlock 互斥量
// 原语允许绑定线程阻塞时间。即非阻塞加锁互斥量。
int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex,
const struct timespec *restrict abs_timeout);
// 对指定的互斥锁解锁。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
// 销毁指定的一个互斥锁。互斥锁在使用完毕后，
// 必须要对互斥锁进行销毁，以释放资源。
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
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【Demo】（阻塞模式）：
//使用互斥量解决多线程抢占资源的问题
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
char* buf[5]; //字符指针数组 全局变量
int pos; //用于指定上面数组的下标
//1.定义互斥量
pthread_mutex_t mutex;
void *task(void *p)
{
//3.使用互斥量进行加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
buf[pos] = (char *)p;
sleep(1);
pos++;
//4.使用互斥量进行解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
int main(void)
{
//2.初始化互斥量, 默认属性
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
//1.启动一个线程 向数组中存储内容
pthread_t tid, tid2;
pthread_create(&tid, NULL, task, (void *)"zhangfei");
pthread_create(&tid2, NULL, task, (void *)"guanyu");
//2.主线程进程等待,并且打印最终的结果
pthread_join(tid, NULL);
pthread_join(tid2, NULL);
//5.销毁互斥量
pthread_mutex_destroy(&mutex);
int i = 0;
printf("字符指针数组中的内容是：");
for(i = 0; i < pos; ++i)
{
printf("%s ", buf[i]);
}
printf("
");
return 0;
}
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【Demo】（非阻塞模式）：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
int main (void)
{
int err;
struct timespec tout;
struct tm *tmp;
char buf[64];
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock (&lock);
printf ("mutex is locked
");
clock_gettime (CLOCK_REALTIME, &tout);
tmp = localtime (&tout.tv_sec);
strftime (buf, sizeof (buf), "%r", tmp);
printf ("current time is %s
", buf);
tout.tv_sec += 10;
err = pthread_mutex_timedlock (&lock, &tout);
clock_gettime (CLOCK_REALTIME, &tout);
tmp = localtime (&tout.tv_sec);
strftime (buf, sizeof (buf), "%r", tmp);
printf ("the time is now %s
", buf);
if (err == 0)
printf ("mutex locked again
");
else
printf ("can`t lock mutex again:%s
", strerror (err));
return 0;
}
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三、条件变量（同步）
与互斥锁不同，条件变量是用来等待而不是用来上锁的。条件变量用来自动阻塞一个线程，直 到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。
条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步 的一种机制，主要包括两个动作：
- 一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；
- 另一个线程使 “条件成立”（给出条件成立信号）。
【原理】：
条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥量。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量 可以被用来实现这两进程间的线程同步。
【条件变量的操作流程如下】：
1. 初始化：init()或者pthread_cond_tcond=PTHREAD_COND_INITIALIER；属性置为NULL；
2. 等待条件成立：pthread_wait，pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真 timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)；
3. 激活条件变量：pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)
4. 清除条件变量：destroy;无线程等待,否则返回EBUSY清除条件变量:destroy;无线程等待,否则返回EBUSY
#include <pthread.h>
// 初始化条件变量
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,
pthread_condattr_t *cond_attr);
// 阻塞等待
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex);
// 超时等待
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,
const timespec *abstime);
// 解除所有线程的阻塞
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
// 至少唤醒一个等待该条件的线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 唤醒等待该条件的所有线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
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1、线程的条件变量实例1
Jack开着一辆出租车来到一个站点停车，看见没人就走了。过段时间，Susan来到站点准备乘车，但是没有来，于是就等着。过了一会Mike开着车来到了这个站点，Sunsan就上了Mike的车走了。如图所示：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
pthread_cond_t taxicond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t taximutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *traveler_arrive(void *name)
{
char *p = (char *)name;
printf ("Travelr: %s need a taxi now!
", p);
// 加锁，把信号量加入队列，释放信号量
pthread_mutex_lock(&taximutex);
pthread_cond_wait(&taxicond, &taximutex);
pthread_mutex_unlock(&taximutex);
printf ("traveler: %s now got a taxi!
", p);
pthread_exit(NULL);
}
void *taxi_arrive(void *name)
{
char *p = (char *)name;
printf ("Taxi: %s arrives.
", p);
// 给线程或者条件发信号，一定要在改变条件状态后再给线程发信号
pthread_cond_signal(&taxicond);
pthread_exit(NULL);
}
int main (int argc, char **argv)
{
char *name;
pthread_t thread;
pthread_attr_t threadattr; // 线程属性
pthread_attr_init(&threadattr); // 线程属性初始化
// 创建三个线程
name = "Jack";
pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, (void *)name);
sleep(1);
name = "Susan";
pthread_create(&thread, &threadattr, traveler_arrive, (void *)name);
sleep(1);
name = "Mike";
pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, (void *)name);
sleep(1);
return 0;
}
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2、线程的条件变量实例2
Jack开着一辆出租车来到一个站点停车，看见没人就等着。过段时间，Susan来到站点准备乘车看见了Jack的出租车，于是就上去了。过了一会Mike开着车来到了这个站点，看见没人救等着。如图所示：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int travelercount = 0;
pthread_cond_t taxicond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t taximutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *traveler_arrive(void *name)
{
char *p = (char *)name;
pthread_mutex_lock(&taximutex);
printf ("traveler: %s need a taxi now!
", p);
travelercount++;
pthread_cond_wait(&taxicond, &taximutex);
pthread_mutex_unlock(&taximutex);
printf ("traveler: %s now got a taxi!
", p);
pthread_exit(NULL);
}
void *taxi_arrive(void *name)
{
char *p = (char *)name;
printf ("Taxi: %s arrives.
", p);
for(;;)
{
if(travelercount)
{
pthread_cond_signal(&taxicond);
travelercount--;
break;
}
}
pthread_exit(NULL);
}
int main (int argc, char **argv)
{
char *name;
pthread_t thread;
pthread_attr_t threadattr;
pthread_attr_init(&threadattr);
name = "Jack";
pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, name);
sleep(1);
name = "Susan";
pthread_create(&thread, &threadattr, traveler_arrive, name);
sleep(3);
name = "Mike";
pthread_create(&thread, &threadattr, taxi_arrive, name);
sleep(4);
return 0;
}
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3、虚假唤醒(spurious wakeup)
虚假唤醒(spurious wakeup)在采用条件等待时，我们使用的是：
while(条件不满足)
{
condition_wait(cond, mutex);
}
// 而不是:
If( 条件不满足 )
{
Condition_wait(cond,mutex);
}
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这是因为可能会存在虚假唤醒”spurious wakeup”的情况。
也就是说，即使没有线程调用condition_signal, 原先调用condition_wait的函数也可能会返回。此时线程被唤醒了，但是条件并不满足，这个时候如果不对条件进行检查而往下执行，就可能会导致后续的处理出现错误。
虚假唤醒在linux的多处理器系统中/在程序接收到信号时可能回发生。在Windows系统和JAVA虚拟机上也存在。在系统设计时应该可以避免虚假唤醒，但是这会影响条件变量的执行效率，而既然通过while循环就能避免虚假唤醒造成的错误，因此程序的逻辑就变成了while循环的情况。
四、读写锁（同步）
读写锁与互斥量类似，不过读写锁允许更改的并行性，也叫共享互斥锁。互斥量要么是锁住状态，要么就是不加锁状态，而且一次只有一个线程可以对其加锁。读写锁可以有3种状态：读模式下加锁状态、写模式加锁状态、不加锁状态。
一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是多个线程可以同时占有读模式的读写锁（允许多个线程读但只允许一个线程写）。
【读写锁的特点】：
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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；
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如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
【读写锁的规则】：
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如果某线程申请了读锁，其它线程可以再申请读锁，但不能申请写锁；
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如果某线程申请了写锁，其它线程不能申请读锁，也不能申请写锁。
读写锁适合于对数据结构的读次数比写次数多得多的情况。
#include <pthread.h>
// 初始化读写锁
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *attr);
// 申请读锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock );
// 申请写锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock );
// 尝试以非阻塞的方式来在读写锁上获取写锁，
// 如果有任何的读者或写者持有该锁，则立即失败返回。
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
// 解锁
int pthread_rwlock_unlock (pthread_rwlock_t *rwlock);
// 销毁读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
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【Demo】：
// 一个使用读写锁来实现 4 个线程读写一段数据是实例。
// 在此示例程序中，共创建了 4 个线程，
// 其中两个线程用来写入数据，两个线程用来读取数据
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
pthread_rwlock_t rwlock; //读写锁
int num = 1;
//读操作，其他线程允许读操作，却不允许写操作
void *fun1(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("read num first == %d
", num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
//读操作，其他线程允许读操作，却不允许写操作
void *fun2(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
printf("read num second == %d
", num);
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(2);
}
}
//写操作，其它线程都不允许读或写操作
void *fun3(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
num++;
printf("write thread first
");
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(2);
}
}
//写操作，其它线程都不允许读或写操作
void *fun4(void *arg)
{
while(1)
{
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
num++;
printf("write thread second
");
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_t ptd1, ptd2, ptd3, ptd4;
pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);//初始化一个读写锁
//创建线程
pthread_create(&ptd1, NULL, fun1, NULL);
pthread_create(&ptd2, NULL, fun2, NULL);
pthread_create(&ptd3, NULL, fun3, NULL);
pthread_create(&ptd4, NULL, fun4, NULL);
//等待线程结束，回收其资源
pthread_join(ptd1, NULL);
pthread_join(ptd2, NULL);
pthread_join(ptd3