线程安全（互斥死锁同步）

我就是我 2023-01-13 10:42 141阅读 0赞

# 线程安全 #

线程安全的实现：同步 互斥

互斥：同一时间只能有一个线程能够访问资源实现资源访问的安全性

同步：通过条件判断实现线程对临界资源访问的合理有序

### 互斥： ###

互斥锁（通过互斥锁保护线程对临界资源的访问操作不会被打断）

原理：标记临界资源的两种状态（可访问/不可访问）在线程访问临界资源之前，先进行互斥锁加锁操作 在线程访问临界资源完毕后，进行解锁操作

互斥锁本身计数器的操作是原子操作

*  定义互斥锁变量：pthread\_mutex\_t mutex;
 *  初始化互斥锁:pthread\_mutex\_t mutex=PHREAD\_MUTEX\_INITIALIZER

int pthread\_mutex\_init(pthread\_mutex\_t \* mutex,pthread\_mutexattr\_t \* attr);

*  在访问临界资源之前进行加锁

int pthread\_mutex\_lock(pthread\_mutex\_t \* mutex); 阻塞

int pthread\_mutex\_trylock(pthread\_mutex\_t \* mutex); 非阻塞

*  在访问临界资源完毕后解锁

int pthread\_mutex\_unlock(pthread\_mutex\_t \* mutex);

*  不再使用互斥锁，则销毁

int pthread\_mutex\_destory(pthread\_mutex\_t \* mutex);

应用：黄牛抢票,创建四个黄牛线程 共抢100张票

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加入互斥锁后发现，虽然抢票安全，不会出现越界，但存在一定的不合理性，互斥是无法保证对资源访问的合理有序性

分析主要原因是，黄牛抢票入口函数中sleep函数导致在获取到锁后需要运行一定时间，此时尚未解锁，即使时间片轮转到其余三个线程 但无法获取锁处于阻塞状态，当时间片再次轮转到该线程，该线程执行完毕解锁，但由于while循环，在时间片还没结束的情况下再次获取到锁，导致始终一个线程获取到锁。

### 死锁 ###

程序因流程无法继续推进卡死的情况

产生死锁的四个条件：

1.  互斥条件，同一时间只有一个线程能够访问资源
2.  不可剥夺条件 我加的锁只有我能解
3.  请求与保持条件 得到A锁然后请求B锁，请求不到B，也不释放A
4.  环路等待条件：A拿到1请求2 锁 B拿到2请求1锁

预防死锁：（破坏死锁产生条件）

1，保证加/解锁顺序一致

2，使用非阻塞加锁

避免死锁：银行家算法

### 同步 ###

条件变量：一个pcb等待队列+使线程阻塞以及唤醒接口

原理：当线程获取资源不合理的时候，调用阻塞接口，使线程阻塞，将pcb挂到等待队列，等待资源访问合理的时候通过唤醒接口唤醒阻塞的线程

注意：条件变量自身只提供阻塞和唤醒接口，获取资源是否合理需要程序员自己判断

*  定义条件变量：pthread\_cond\_t cond;
 *  条件变量初始化：

pthread\_cond\_t cond=PHREAD\_COND\_INITIALIZER

int pthread\_cond\_init(pthread\_cond\_t \* cond,pthread\_condattr\_t \* attr);

*  在获取资源不合理时调用阻塞接口使线程阻塞

int pthread\_cond\_wait(pthread\_cond\_t \* cond,pthread\_mutex\_t \* mutex);只要调用就阻塞 没有唤醒则一直等待

int pthread\_cond\_timedwait(pthread\_cond\_t \* cond,pthread\_mutex\_t \* mutex，struct timespec\* abstime);等待一定时间后自动唤醒

*  其他线程促使资源获取合理后，唤醒等待队列上的线程

int pthread\_cond\_signal(pthread\_cond\_t \* cond);唤醒一个

int pthread\_cond\_broadcast(pthread\_cond\_t \* cond) 唤醒所有

*  销毁

int pthread\_cond\_destory(pthread\_cond\_t \* mutex);

**应用：厨师-顾客创建两个线程，以柜台上饭的数量作为临界资源**

**厨师接口：**

*  **加锁，防止在访问条件变量时其他线程同时会访问**
 *  **条件变量进行判断，根据临界资源，是否有饭作为判断条件，对于厨师来说，有饭则不需要做饭则阻塞，没饭则做饭**
 *  **做饭使得临界资源数量+1，可以唤醒顾客吃饭**
 *  **解锁**

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**顾客接口：**

*  **加锁，防止在访问条件变量时其他线程同时会访问**
 *  **条件变量进行判断，根据临界资源，是否有饭作为判断条件，对于顾客来说，没有饭则阻塞，有饭则吃饭**
 *  **吃饭使得临界资源数量+1，可以唤醒厨师做饭**
 *  **解锁**

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注意：**1条件判断应该使用while循环**

**原因分析：**如果存在多个顾客情况，开始没有饭，第一个顾客发现没有饭阻塞解锁，其余顾客拿到锁进入也因为没有饭而阻塞，导致多个顾客均阻塞，当时间片轮转，厨师拿到锁做了一碗饭，开始唤醒顾客，多个顾客都被唤醒，但只有其中一个顾客拿到了锁，其他顾客因抢不到锁而阻塞，等待这个顾客吃完饭解锁后，可能会因为时间片轮转，拿到所得不是厨师而是其余顾客，如果没有二次条件判断就会出现在没有临界资源（没有饭）情况下吃到饭。

**2在具有多个角色的情况下，应该使用多个条件变量**

原因分析：多个顾客，因为没有饭吃，被挂载在阻塞队列上，一个厨师做好饭，唤醒一个顾客，顾客吃完饭唤醒阻塞队列上的线程，但因为顾客在前，厨师在后，有可能再次唤醒的不是厨师而是顾客，该顾客会因为二次条件判断没有饭再次阻塞，对此需要根据各自创建不同的条件变量，从而有不同的阻塞队列。

**3条件判断会对临界资源进行访问 ，需要搭配互斥锁使用**

生产者与消费者模型

应用于大量数据产生及处理的场景

优点：解耦合（各自完成各自功能） 支持忙闲不均 （满足同步互斥） 支持并发（缓冲区必须实现线程安全）

*  生产者之间保持互斥关系
 *  消费者之间保持互斥关系
 *  生产者与消费者之间保持同步与互斥关系

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生产者消费者模型，在大量数据需要处理的情况下所产生的一种应用场景，需要借助一个缓冲区来实现，这个缓冲区就是阻塞队列BlockQueue

*  创建两种角色的线程，各自负责数据的产生与消费功能
 *  线程安全的任务数据队列 ，向外提供入队与出队操作

线程安全的任务数据队列通过class BlockQueue 阻塞队列实现：

*  有空闲节点可以入队数据，没有空闲节点则阻塞入队线程
 *  有数据节点可以出队数据，没有数据节点则阻塞出队线程

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