个人主页：chian-ocean
文章专栏-Linux
前言：
互斥是并发编程中避免竞争条件和保护共享资源的核心技术。通过使用锁或信号量等机制，能够确保多线程或多进程环境下对共享资源的安全访问，避免数据不一致、死锁等问题。
竞争条件
竞争条件（Race Condition）是并发程序设计中的一个问题，指在多个线程或进程并发执行时，由于它们对共享资源的访问顺序不确定，可能导致程序的输出或行为依赖于执行的顺序，从而产生不一致或不可预测的结果。
例如：一个假脱机打印程序。当一个进程需要打印一个文件时，它将文件名放在一个特殊的假脱机目录**(spoalerdirectory)**下。另一个进程(打印机守护进程)则周期性地检查是否有文件需要打印，若有就打印并将该文件名从目录下删掉)
理想情况：
- 设想假脱机目录中有许多槽位，编号依次为
0，1,2，……，每个槽位存放一个文件名。 - 同时假设有两个共享变量:
out，指向下一个要打印的文件:in，指向目录中下一个空闲槽位。 - 可以把这两个变量保存在一个所有进程都
out=4进程Ain=7能访问的文件中，该文件的长度为两个字。 - 在某一时刻，进程B号至3号槽位空(其中的文件已经打印完毕)，4号至6号槽位被占用(其中存有排好队列的要打印的文件名)。几乎在同时刻，进程A和进程B都决定将一个文件排队打印，这种情图两个进程同时想访问共享内存
- 设想假脱机目录中有许多槽位，编号依次为
实际情况：
- 进程A读到
in的值为7，将7存在一个局部变量next_free_slot中。 - 此时发生一次时钟中断，CPU认为进程A已运行了足够长的时间，决定切换到进程B。进程B也读取
in，同样得到值为7，于是将7存在B的局部变量next_free_slot中。 - 在这一时刻两个进程都认为下一个可用槽位是
7.进程B现在继续运行，它将其文件名存在槽位7中并将in的值更新为8。然后它离开，继续执行其他操作最后进程A接着从上次中断的地方再次运行。 - 它检查变量
next_free_slot，发现其值为7，于是将打印文作名存人7号槽位，这样就把进程B存在那里的文件名覆盖掉。然后它将next_free_slot加1，得到值为8，就将8存到in中。 - 此时，假脱机目录内部是一致的，所以打印机守护进程发现不了任何错误，但进程B却永远得不到任何打印输出。类似这样的情况，即两个或多个进程读写某些共享数据，而最后的结果取决于进程运行的精确时序，称为竞争条件(race condition)。
- 进程A读到
实际抢票问题：
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
using namespace std;
#define NUM 10 // 定义线程数量，这里创建 10 个线程
int ticket = 1000; // 票数从 1000 开始
// 线程执行的函数
void* mythread(void* args)
{
pthread_detach(pthread_self()); // 分离线程，线程结束后自动释放资源
uint64_t number = (uint64_t)args; // 将传入的参数（线程编号）转换为 uint64_t 类型
while(true)
{
if(ticket > 0) // 如果还有票
{
usleep(1000); // 模拟一些延迟，减少系统负载
cout <<"thread: " << number << " ticket: " << ticket << endl; // 打印线程编号和剩余票数
ticket--; // 减少票数
}
else
{
break; // 如果没有票了，退出循环
}
usleep(20); // 再次暂停 20 微秒，模拟其他操作
}
return nullptr; // 线程结束时返回空指针
}
int main()
{
// 创建 NUM 个线程
for(int i = 0; i < NUM; i++)
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid,nullptr,mythread,(void*)i); // 创建线程，传入线程编号
}
sleep(5); // 主线程等待 5 秒，确保子线程有足够的时间执行
cout <<"process quit ..." <<endl; // 打印主线程退出消息
return 0;
}
简单描述：
- 线程数量和票数：
- 定义了一个全局变量
ticket，初始值为 1000，表示共有 1000 张票。 - 程序创建了 10 个线程（
NUM = 10），每个线程将尝试减少ticket的值，模拟每个线程购买一张票。
- 定义了一个全局变量
- 线程函数：
- 每个线程执行
mythread函数，函数内部通过一个while循环不断检查ticket是否大于 0。如果ticket大于 0，则线程会输出剩余票数并减去一张票，模拟卖票操作。 - 使用
usleep(1000)模拟了一个小延迟，避免线程占用过多 CPU 资源，并且增加了另一个小的usleep(20)让线程执行有一定的间隔。
- 每个线程执行
- 主线程：
- 主线程创建了 10 个线程，并且等待 5 秒后退出，给子线程一些时间执行任务。
潜在问题：
- 竞态条件（Race Condition）：
- 问题描述：多个线程同时访问并修改共享资源
ticket，可能会发生竞态条件。由于ticket--操作并不是原子的（即分为读取、修改和写入三步），多个线程在同一时间访问ticket时，可能会同时读取到相同的值并同时更新，导致票数没有正确减少，可能会出现卖出同一张票的情况。 - 解决方案：可以通过互斥锁（
pthread_mutex_t）来保证每次只有一个线程能修改ticket，避免并发写入导致的错误。
- 问题描述：多个线程同时访问并修改共享资源
临界区
临界区（Critical Section） 是指在多线程或多进程程序中，共享资源被多个线程或进程同时访问和修改的代码区域。为了确保共享资源在多线程或多进程环境中的一致性和正确性，我们需要对访问临界区的操作进行同步控制，以避免发生竞争条件（Race Condition）。
临界区的特点：
- 共享资源访问：临界区中的代码通常会访问共享资源，例如共享内存、文件、全局变量、硬件资源等。
- 并发执行：多个线程或进程可能同时尝试进入临界区，并对共享资源进行修改。
- 资源竞争：如果多个线程/进程在同一时刻进入临界区并修改共享资源，就可能导致数据冲突、不一致或错误。
临界区的问题：
- 数据一致性问题：多个线程或进程同时修改共享数据，可能导致数据不一致、错误或丢失。
- 资源冲突：当多个线程或进程试图同时访问共享资源时，可能会引发系统资源竞争，影响程序的正确性和效率。
解决方案
- 互斥锁（Mutex）： 互斥锁用于确保在某一时刻只有一个线程能够访问临界区。当一个线程需要进入临界区时，它会获取互斥锁，其他线程必须等待该线程释放锁后才能进入临界区。
- 信号量（Semaphore）： 信号量可以控制对共享资源的并发访问。通过限制允许访问临界区的线程数量，可以避免过多的线程同时进入临界区。
这样尽管可以避免竞争条件，但是这样不能保证共享数据进行正确高效的协作，还要满足以下4个条件：
- 任何两个进程不能同时处于临界区。
- 不应该对CPU的数量和速度进行任何假设。
- 临界区外的进程不得阻塞其他进程。
- 不得使进程无期限等待进入临界区。
临界区的优化：
- 减少临界区的长度：尽量将临界区的代码量减少到最小，避免过长时间占用临界区。
- 避免不必要的锁：对于只读的共享资源，尽量避免加锁，减少锁带来的性能开销。
- 使用无锁编程（Lock-Free Programming）：通过原子操作（如
atomic类型）和 CAS（Compare-And-Swap）等无锁技术，避免传统锁机制带来的性能瓶颈。
互斥锁
互斥锁（Mutex） 是一种用于多线程编程的同步机制，旨在防止多个线程同时访问和修改共享资源，从而确保数据的一致性和程序的正确性。
互斥锁初始化
- 全局域初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 使用默认属性初始化
- 局部区初始化
pthread_mutex_t mutex; // 定义一个互斥锁变量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁。NULL表示使用默认的属性
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁，在不再使用锁时调用
加锁、解锁
pthread_mutex_lock：用于锁定一个互斥锁。若互斥锁已被其他线程锁定，则调用线程会阻塞，直到互斥锁被释放。
pthread_mutex_trylock：尝试锁定互斥锁。与
pthread_mutex_lock不同的是，它不会阻塞线程。如果锁定成功，返回 0；如果锁定失败（即锁已经被其他线程持有），则返回一个非零值。pthread_mutex_unlock：用于解锁一个已锁定的互斥锁。如果当前线程没有持有该锁，调用此函数将导致未定义的行为。
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
pthread_mutex_lock(&mutex); // 锁定互斥锁
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁互斥锁
优化抢票问题
#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
using namespace std;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 定义并初始化一个互斥锁
#define NUM 10 // 定义创建的线程数量
int ticket = 1000; // 定义一个全局变量 ticket，初始为 1000，表示票的数量
// 线程函数，用于模拟每个线程购买票
void* mythread(void* args)
{
pthread_detach(pthread_self()); // 将当前线程设置为分离线程，结束后自动回收资源
uint64_t number = (uint64_t)args; // 将传入的参数（线程编号）转换为 uint64_t 类型
while(true) // 循环，直到票数为 0
{
{
pthread_mutex_lock(&lock); // 锁定互斥锁，确保对 ticket 资源的互斥访问
if(ticket > 0) // 如果还有票
{
usleep(1000); // 模拟工作延迟，单位为微秒（1 毫秒）
cout <<"thread: " << number << " ticket: " << ticket << endl; // 输出当前线程编号和剩余票数
ticket--; // 票数减少
}
else // 如果票数为 0，退出循环
{
break;
}
pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁，允许其他线程访问 ticket 资源
}
}
return nullptr; // 返回空指针，结束线程
}
int main()
{
// 创建多个线程
for(int i = 0; i < NUM; i++) // 创建 NUM 个线程
{
pthread_t tid; // 定义线程 ID
pthread_create(&tid, nullptr, mythread, (void*)i); // 创建线程并传递参数（线程编号）
}
sleep(5); // 主线程休眠 5 秒，确保所有线程执行一段时间
cout <<"process quit ..." <<endl; // 输出退出信息，表示主进程结束
return 0; // 返回 0，程序结束
}
代码详细注释解析：
全局变量：
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;：定义了一个全局互斥锁，初始化时就已经可用。这个锁是为了防止多个线程同时访问和修改ticket变量导致的并发问题。#define NUM 10：定义了一个宏NUM，表示需要创建的线程数量（此处为 10）。int ticket = 1000;：全局变量ticket表示剩余票数，初始值为 1000。
线程函数
mythread：pthread_detach(pthread_self());：将当前线程设置为分离线程，这样线程结束时系统会自动回收资源，无需显式调用pthread_join来等待线程结束。uint64_t number = (uint64_t)args;：将传递给线程函数的参数（线程编号）转换为uint64_t类型，以便进行打印。在
while(true)循环中，线程将不断检查ticket是否大于 0：
- 使用
pthread_mutex_lock(&lock);上锁，防止多个线程同时修改ticket变量，保证每次只有一个线程能访问和修改票数。 - 如果
ticket > 0，则输出当前线程的编号和剩余票数，并将票数减 1。每次操作后调用usleep(1000);来模拟工作延时。 - 如果
ticket为 0，跳出循环。 - 最后，通过
pthread_mutex_unlock(&lock);解锁，允许其他线程访问共享资源。
- 使用
主函数
main：for循环中，创建了 10 个线程，每个线程都会执行mythread函数。线程编号（i）被传递到每个线程中，作为其唯一标识。sleep(5);：主线程休眠 5 秒，以确保创建的 10 个子线程有足够的时间执行完毕。cout <<"process quit ..." <<endl;：输出程序退出信息，表示主程序结束。
打印：
互斥锁封装（RAII）
class mutex
{
public:
private:
pthread_mutex_t * _mutex; // 互斥锁指针
public:
mutex(pthread_mutex_t* mutex)
:_mutex(mutex) // 构造函数，初始化互斥锁指针
{
//pthread_mutex_init(_mutex,nullptr); // 互斥锁的初始化被注释掉了
}
void lock()
{
pthread_mutex_lock(_mutex); // 锁定互斥锁
}
void unlock()
{
pthread_mutex_unlock(_mutex); // 解锁互斥锁
}
~mutex() {} // 析构函数，什么都不做
};
class Guard
{
private:
mutex _lock; // 使用上面定义的 mutex 类来管理锁
public:
Guard(pthread_mutex_t* lock)
:_lock(lock) // 构造函数中锁定互斥锁
{
_lock.lock(); // 自动锁定
}
~Guard() // 析构函数中解锁
{
_lock.unlock(); // 自动解锁
}
};
这段代码的设计实现了一个典型的 RAII（资源获取即初始化） 模式，尤其是在 Guard 类中得到了完美的体现。RAII 是 C++ 中管理资源（如内存、文件句柄、互斥锁等）的一种设计模式。在该模式下，资源在对象的构造函数中获取，在对象的析构函数中释放，这样可以确保即使发生异常，也能正确释放资源，避免资源泄漏和死锁。
// 构造函数中锁定互斥锁
{
_lock.lock(); // 自动锁定
}
~Guard() // 析构函数中解锁
{
_lock.unlock(); // 自动解锁
}
};
这段代码的设计实现了一个典型的 **RAII（资源获取即初始化）** 模式，尤其是在 `Guard` 类中得到了完美的体现。RAII 是 C++ 中管理资源（如内存、文件句柄、互斥锁等）的一种设计模式。在该模式下，资源在对象的构造函数中获取，在对象的析构函数中释放，这样可以确保即使发生异常，也能正确释放资源，避免资源泄漏和死锁。