【Linux】线程同步

线程同步

线程仅仅互斥，是可以保证线程安全的。但是，这不合理！如果一个线程竞争到了锁，那么再它释放后它依然可以竞争个锁。因为CPU此时正在执行当前线程，所以该线程又可以继续竞争锁。 这样就会造成一个问题，有5个线程抢10000张票，可是线程1就抢了9000张，线程2抢了1000张。这就会造成其他另外三个线程一直申请锁却申请不到的情况。这个问题也被称为饥饿问题。

举个例子：

一个自习室只有一把钥匙，而每次这个自习室只能待一个人，且这个人持有钥匙。有一天你凌晨2点就起来去抢自习室，你抢到了并把自习室钥匙放口袋里进去自习，这时外面逐渐有人来自习，但是他们没有这个自习室的钥匙。所以他们只能在外面等待，这时你突然想出去吃个饭，上个厕所。那么你带着钥匙出去，并在外面把门反锁。这种行为就是线程持有锁挂起了。 而不久后你回到自习室，不太想学了，所以你就走到门口，把钥匙挂到墙上。可是你突然转念一想 : “算了，还是再学会吧。”。因为此时你离这个钥匙最近，所以你竞争的能力非常强。你就又拿到钥匙，进去自习了一份，你又想走了。于是又来到门口把钥匙挂门口隔壁的墙上，然后刚挂上去，你又想继续学了。又把钥匙拿下来继续进去学习… 如此反复。就造成了门外等待自习室的人的饥饿问题。而当你学完时真正准备走时，你把钥匙挂墙上后。结果外面的人争先恐后，毫无秩序的冲过来抢夺钥匙。

这里的你和外面自习室的人都是一个个线程，而钥匙就是这把锁，自习室就是临界资源。只有持有锁才能访问临界资源。可是因为锁刚从你当前的线程中释放，那么竞争锁能力最强的也是你当前的线程。 那么这样就很容易会造成其他线程的饥饿问题。 但是这个线程它有错吗？？？ 它没错！但是这不合理！！

那么怎么让这合理起来呢？

要合理起来，那么就让释放锁的线程，跑到最后面去排队。 还是上面那个例子，一旦你把钥匙挂墙上。那么你就必须老老实实到后面排队。这样可以确保一定的顺序时，但是还会面临一个问题。 有人插队怎么办？？？

从线程的角度来说，线程A已经把锁释放了。随后线程A跑到了最后的位置等待调度。这样可以保证一定的顺序的问题。接下来CPU准备调度线程B了，可是线程C它想配合，直接插队到了线程B前面。所以CPU就先调度线程C了。

CPU，线程A,B,C，它们有错吗？ CPU只负责调度，谁来了调度谁，CPU没错。A,B,C线程都在尽心尽力的竞争锁。因为锁本来就是临界资源，它们也没错。但是，这不合理！！

于是就有了条件变量，可以保证线程同步。

条件变量

条件变量如何保证线程同步呢？还是自习室的例子，当你在自习室。外面等待的人都在睡觉(线程挂起)，当你要走了挂回钥匙时(释放锁)，外面的人就全部醒过来(线程唤醒)竞争锁。那么我们不要让他们全部醒过来，那么我们加一个管理员，让管理员每次只喊醒队伍最前面的那个，然后再让刚刚退出自习室的人到最后面去排队。 这样依次下去，是不是就能保证一定的顺序性了？

同步的情况下，想要每个线程先竞争锁 -> 竞争锁后检测是否满足访问临界资源的条件 -> 满足则访问 -> 不满足就在条件变量下等待 -> 等待之前释放锁 -> 唤醒回来重新获得锁 -> 访问临界资源

而让线程等待和唤醒线程。我们都需要用到条件变量。

条件变量和锁一样是一个变量，我们可以用条件变量让线程在该条件变量下等待。然后让主线程去唤醒条件变量。

条件变量相关函数：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//如果条件变量是全局的，可以这样初始化//初始化全局变量，第一个参数是条件变量的地址，第二参数是条件变量的属性intpthread_cond_init(pthread_cond_t*restrict cond,constpthread_condattr_t*restrict attr);//销毁条件变量，传条件变量地址intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);//在条件变量下等待，第一个参数是条件变量地址，第二个参数是锁的地址，第三个参数是要等待的时间intpthread_cond_timedwait(pthread_cond_t*restrict cond,pthread_mutex_t*restrict mutex,conststructtimespec*restrict abstime);//在条件变量下等待，第一个参数是要等待的条件变量地址，第二个参数是锁intpthread_cond_wait(pthread_cond_t*restrict cond,pthread_mutex_t*restrict mutex);//依次唤醒所有在条件变量下等待的线程intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);//唤醒单个在条件变量下等待的线程intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);

代码测试：

#include<iostream>#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<string>#defineTNUM4typedefvoid(*func_t)(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond);int tickets =5;bool flag =true;classThreadData{public:ThreadData(const std::string &name, func_t func, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond):_name(name),_func(func),_mutex(mutex),_cond(cond){}public:
    std::string _name;
    func_t _func;
    pthread_mutex_t *_mutex;
    pthread_cond_t *_cond;};voidfunc1(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){pthread_mutex_lock(mutex);pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....下载"<< std::endl;pthread_mutex_unlock(mutex);}}voidfunc2(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){pthread_mutex_lock(mutex);pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....查看用户"<< std::endl;pthread_mutex_unlock(mutex);}}voidfunc3(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){pthread_mutex_lock(mutex);pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....扫描"<< std::endl;pthread_mutex_unlock(mutex);}}voidfunc4(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){pthread_mutex_lock(mutex);pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....广播"<< std::endl;pthread_mutex_unlock(mutex);}}void*Entry(void*args){
    ThreadData *td =(ThreadData *)args;
    td->_func(td->_name, td->_mutex, td->_cond);//调用线程绑定的函数delete td;returnnullptr;}intmain(){
    pthread_mutex_t mtx;// 互斥锁
    pthread_cond_t cond;// 条件变量pthread_mutex_init(&mtx,nullptr);pthread_cond_init(&cond,nullptr);

    func_t funs[4]={func1, func2, func3, func4};//函数指针数组，存储上面4个函数
    pthread_t tids[4];// 创建线程for(int i =0; i < TNUM; i++){
        std::string name ="thread ";
        name += std::to_string(i +1);
        ThreadData *td =newThreadData(name, funs[i],&mtx,&cond);//创建线程数据对象，存储线程的数据以及锁，条件变量信息pthread_create(tids + i,nullptr, Entry,(void*)td);}sleep(5);int cnt =10;while(cnt){//每隔一秒唤醒一个线程
        std::cout <<"wakeup thread ......  "<< cnt--<< std::endl;pthread_cond_signal(&cond);//唤醒一个线程sleep(1);}   
    std::cout <<"ctrl done"<< std::endl;
    flag =false;//结束线程内的循环//走到这里，所有线程依旧处于wait状态，在这里需要再唤醒一次pthread_cond_broadcast(&cond);//唤醒所有线程for(int i =0; i < TNUM; i++){pthread_join(tids[i],nullptr);
        std::cout <<"thread "<< i +1<<"   quit....."<< std::endl;}pthread_mutex_destroy(&mtx);pthread_cond_destroy(&cond);return0;}

这个代码的逻辑是1个主线程负责唤醒条件变量下等待的线程。其他四个线程负责输出一条打印语句，然后进入等待。

运行结果：

我们可以发现明显的顺序性，但第一次的顺序是无法确定的。因为CPU先调度的线程会先等待，先等待的会被先唤醒。但是后面的次序都和第一次的次序一样。这就保证了线程的同步。

注意！！！

pthread_cond_wait 必须在加锁和解锁之间等待！！因为pthread_cond_wait函数会让线程在等待之前释放锁，其而让其他线程进入临界资源。等到被唤醒时，又会重新获取锁。这也就是为什么 要在加锁和解锁之间wait。如果不在加锁和解锁之间wait，那么在最后想要在唤醒所有线程的时候就会产生死锁！！因为pthread_cond_wait的第二个参数就是一把锁，wait后会释放锁，被唤醒后重新获得锁。所以当最后一次唤醒时，被唤醒的线程就持有锁结束了。而其他线程就会在条件变量下等待锁，但是持有锁的线程已经释放了。所以就产生了死锁。

错误代码代表：

#include<iostream>#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<string>#defineTNUM2typedefvoid(*func_t)(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond);int tickets =5;bool flag =true;classThreadData{public:ThreadData(const std::string &name, func_t func, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond):_name(name),_func(func),_mutex(mutex),_cond(cond){}public:
    std::string _name;
    func_t _func;
    pthread_mutex_t *_mutex;
    pthread_cond_t *_cond;};voidfunc1(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){//wait不加锁pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....下载"<< std::endl;}}voidfunc2(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){//wait不加锁pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....查看用户"<< std::endl;}}void*Entry(void*args){
    ThreadData *td =(ThreadData *)args;
    td->_func(td->_name, td->_mutex, td->_cond);//调用线程绑定的函数delete td;returnnullptr;}intmain(){
    pthread_mutex_t mtx;// 互斥锁
    pthread_cond_t cond;// 条件变量pthread_mutex_init(&mtx,nullptr);pthread_cond_init(&cond,nullptr);

    pthread_t tids[TNUM];
    func_t funs[TNUM]={func1,func2};// 创建线程for(int i =0; i < TNUM; i++){
        std::string name ="thread ";
        name += std::to_string(i +1);
        ThreadData *td =newThreadData(name, funs[i],&mtx,&cond);//创建线程数据对象，存储线程的数据以及锁，条件变量信息pthread_create(tids + i,nullptr, Entry,(void*)td);}sleep(5);int cnt =10;while(cnt){//每隔一秒唤醒一个线程
        std::cout <<"wakeup thread ......  "<< cnt--<< std::endl;pthread_cond_signal(&cond);//唤醒一个线程sleep(1);}   
    std::cout <<"ctrl done"<< std::endl;
    flag =false;//结束线程内的循环//走到这里，所有线程依旧处于wait状态，在这里需要再唤醒一次pthread_cond_broadcast(&cond);//唤醒所有线程// pthread_cond_signal(&cond); //唤醒一个线程//pthread_cond_signal(&cond); //唤醒一个线程
    
    std::cout <<"--------------------------"<< std::endl;for(int i =0; i < TNUM; i++){pthread_join(tids[i],nullptr);
        std::cout <<"thread "<< i +1<<"   quit....."<< std::endl;}pthread_mutex_destroy(&mtx);pthread_cond_destroy(&cond);return0;}

最后的运行结果就是10秒后最后一次唤醒时，线程1持有锁结束了。而线程2还在等待锁被唤醒，所以就变成了死锁。这时候就无法跳出来了。

而在循环内之所可以那是因为在singal之后。wait又重新获得了锁，然后经过了一次循环又来到wait，wait等待前会先释放锁。所以这时候其他线程又可以争夺锁，但是在最后一次的时候，线程1singal后不再wait。那么也就是在前一次wait之后获得了锁，随后线程结束时还持有锁，而线程2还在等待锁被唤醒。

而在线程结束前释放锁，又可以正常结束了：

#include<iostream>#include<pthread.h>#include<unistd.h>#include<string>#defineTNUM2typedefvoid(*func_t)(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond);int tickets =5;bool flag =true;classThreadData{public:ThreadData(const std::string &name, func_t func, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond):_name(name),_func(func),_mutex(mutex),_cond(cond){}public:
    std::string _name;
    func_t _func;
    pthread_mutex_t *_mutex;
    pthread_cond_t *_cond;};voidfunc1(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....下载"<< std::endl;pthread_mutex_unlock(mutex);//临走前释放锁}}voidfunc2(const std::string &name, pthread_mutex_t *mutex, pthread_cond_t *cond){while(flag){pthread_cond_wait(cond, mutex);//在条件变量下等待
        std::cout<< name  <<" runing ....查看用户"<< std::endl;pthread_mutex_unlock(mutex);//临走前释放锁}}void*Entry(void*args){
    ThreadData *td =(ThreadData *)args;
    td->_func(td->_name, td->_mutex, td->_cond);//调用线程绑定的函数delete td;returnnullptr;}intmain(){
    pthread_mutex_t mtx;// 互斥锁
    pthread_cond_t cond;// 条件变量pthread_mutex_init(&mtx,nullptr);pthread_cond_init(&cond,nullptr);

    pthread_t tids[TNUM];
    func_t funs[TNUM]={func1,func2};// 创建线程for(int i =0; i < TNUM; i++){
        std::string name ="thread ";
        name += std::to_string(i +1);
        ThreadData *td =newThreadData(name, funs[i],&mtx,&cond);//创建线程数据对象，存储线程的数据以及锁，条件变量信息pthread_create(tids + i,nullptr, Entry,(void*)td);}sleep(5);int cnt =10;while(cnt){//每隔一秒唤醒一个线程
        std::cout <<"wakeup thread ......  "<< cnt--<< std::endl;pthread_cond_signal(&cond);//唤醒一个线程sleep(1);}   
    std::cout <<"ctrl done"<< std::endl;
    flag =false;//结束线程内的循环//走到这里，所有线程依旧处于wait状态，在这里需要再唤醒一次pthread_cond_broadcast(&cond);//唤醒所有线程//pthread_cond_signal(&cond); //唤醒一个线程//pthread_cond_signal(&cond); //唤醒一个线程
    
    std::cout <<"--------------------------"<< std::endl;for(int i =0; i < TNUM; i++){pthread_join(tids[i],nullptr);
        std::cout <<"thread "<< i +1<<"   quit....."<< std::endl;}pthread_mutex_destroy(&mtx);pthread_cond_destroy(&cond);return0;}

但是！！这是一种错误的写法！！请务必哪里有加锁，就哪里有解锁，wait在加锁和解锁之间完成。因为wait是对临界资源的条件检测，所以wait本身也应该在临界区之内。