摘要
本章继续讲一下线程的东西
目录
一、抢票
这里回顾一下指令
pthread_create创建一个线程
- `thread`：指向线程标识符的指针。在成功创建线程后，线程 ID 被存储在此变量中。
- `attr`：指向线程属性的指针。可以使用默认属性，传入 `NULL`。
- `start_routine`：指向线程函数的指针。新线程将从此函数的起始点开始执行。
- `arg`：传递给线程函数的参数。
pthread_join等待线程
- `thread`：要等待的线程 ID。
- `value_ptr`：指向线程返回值的指针。可以传入 `NULL`。
pthread_exit结束线程其原型如下：
void pthread_exit(void *value_ptr);
- `value_ptr`：线程的返回值。
如下方截图所示就是使用函数进行创建三个线程进行抢票，结果发现抢到了-1这个显然是不可能的，这个按照我的思想是抢到一就停止，这个显然是不可能的。
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <cstring>
using namespace std;
int tickets = 10000;
void *getTickets(void *args)
{
(void)args;
while(true)
{
if(tickets > 0)
{
usleep(1000);
printf("%p: %d\n", pthread_self(), tickets);//打印自己的id，并且打印剩余票数
tickets--;
}
else{
break;
}
}
return nullptr;
}
int main()
{
pthread_t t1,t2,t3;
// 多线程抢票的逻辑
pthread_create(&t1, nullptr, getTickets, nullptr);//创建三个多线程
pthread_create(&t2, nullptr, getTickets, nullptr);
pthread_create(&t3, nullptr, getTickets, nullptr);
pthread_join(t1, nullptr);//等待线程结束
pthread_join(t2, nullptr);
pthread_join(t3, nullptr);
}
出现上图中这种情况是因为当我现在这个线程在申请抢票的时候，但是因为cpu的速度很快，同时另一个线程也到执行了，所以在这个线程结束的时候，另外一个也结束了，但是他不知道这个票引已经没了，所以就会出现这种情况，所以在图中就可以看出需要一个方案解决这个问题，所以引出了加锁这个概念。
二、加锁保护
加锁保护：加锁的粒度越细、越小越好。
swap或者exchange这两个指令，都是以一条汇编的方式将内存和CPU寄存器区数据进行交换，如果我们在汇编的角度时，只有一条汇编语句，我们就认为该汇编语句的执行是原子的，也就是一条汇编指令就是原子的。
在执行流的视角，是如何看待CPU上面的寄存器呢？
CPU内部的寄存器本质上叫做当前执行流的上下文，寄存器们的空间是被所有的执行流共享的，但是寄存的内容，是被每一个执行流私有的，在被换走的时候上下文数据也会被带走，如下图在A把自己里面的值和寄存器里面的值进行交换，这时就是如第二图就是A里面是1，寄存器里面就是0了，所以当加锁上了，CPU里面的数据变成了0，这时被换下去了，但是A也会把自己的上下文带走，也就是寄存器里面时由1变成0了，所以当B想声请加锁的时候，但是和CPU里面数据交换了，但是CPU里面的数据这时是0，但是交换了也是0，又因为B里面还是0，所以没法进锁内，所只能等A把锁接了，并且和cpu交换了。这个就是加锁保护。
这里介绍几个函数
1、pthread_mutex_init这个就是和下面的全局的用法一样，不过是局部的
2、pthread_mutex_t这个就是全局的加锁，这个就是原生线程库提供的一个数据类型
3、pthread_mutex_lock这个就是加锁，任何时刻只能有一个线程可以取得所的钥匙，这个就是串行的方式
4、pthread_mutex_unlock这个就是解锁的函数
加锁和解锁之间的代码称之为临界区，而线程共同访问的全局变量就称之为临界资源
这里如下方代码所示演示的，就是利用加锁把买票的代码进行了包装，所以这个结果如图就可以看出不会抢票抢到了-1，就是正常的抢票了
#include <iostream>
#include <thread>
#include <cerrno>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include <cassert>
#include <cstdio>
using namespace std;
int tickets = 10000; // 临界资源
#define THREAD_NUM 800
class ThreadData
{
public:
ThreadData(const std::string &n,pthread_mutex_t *pm):tname(n), pmtx(pm)
{}
public:
std::string tname;
pthread_mutex_t *pmtx;
};
void *getTickets(void *args)
{
// int myerrno = errno;
ThreadData *td = (ThreadData*)args;
while(true)
{
// 抢票逻辑
int n = pthread_mutex_lock(td->pmtx);
assert(n == 0);
// 临界区
if(tickets > 0) // 1. 判断的本质也是计算的一种
{
usleep(rand()%1500);
printf("%s: %d\n", td->tname.c_str(), tickets);
tickets--; // 2. 也可能出现问题
n = pthread_mutex_unlock(td->pmtx);
assert(n == 0);
}
else{
n = pthread_mutex_unlock(td->pmtx);
assert(n == 0);
break;
}
// 抢完票，其实还需要后续的动作
usleep(rand()%2000);
// errno = myerrno;
}
delete td;
return nullptr;
}
int main()
{
pthread_mutex_t mtx;
pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);
srand((unsigned long)time(nullptr) ^ getpid() ^ 0x147);
pthread_t t[THREAD_NUM];
// 多线程抢票的逻辑
for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
{
std::string name = "thread ";
name += std::to_string(i+1);
ThreadData *td = new ThreadData(name, &mtx);
pthread_create(t + i, nullptr, getTickets, (void*)td);
}
for(int i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
{
pthread_join(t[i], nullptr);
}
pthread_mutex_destroy(&mtx);
}
下面就是我总结的一些小问题
1、如果多线程访问同一个全局变量，并对它进行数据计算，多线程会互相影响吗？
2、加锁保护：加锁的时候，一定要保证加锁的粒度，越小越好！！
3、pthread_mutex_t 就是原生线程库提供的一个数据类型
4、加锁就是串行执行了吗？加锁了之后，线程在临界区中，是否会切换，会有问题吗？原子性的体现加锁了之后，线程在临界区中，是否会切换，会有问题吗?会切换，不会！第一次理解：虽然被切换了，但是你是持有锁被切换的, 所以其他抢票线程要执行临界区代码，也必须先申请锁，锁它是无法申请成功的，所以，也不会让其他线程进入临界区，就保证了临界区中数据一致性！
5、我是一个线程，我不申请锁，就是单纯的访问临界资源！-- 错误的编码方式
6、在没有持有锁的线程看来，对我最有意义的情况只有两种：
线程1没有持有锁(什么都没做)
线程1释放锁(做完)，此时我可以申请锁！
7、加锁就是串行执行了吗？ 是的，执行临界区代码一定是串行的！
8、要访问临界资源，每一个线程都必须现申请锁，每一个线程都必须先看到同一把锁&&访问它，锁本身是不是就是一种共享资源？
9、谁来保证锁的安全呢？？所以，为了保证锁的安全，申请和释放锁，必须是 原子的！！！
三、死锁
死锁就是如下图所示当A拥有锁1的时候想去申请锁2，但是B在之前已经申请了锁2，他也想申请锁1，但是A想要2并且不给1，B也不给2，这个就是死锁
1、死锁四个必要条件
互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用
请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
不剥夺条件:一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺
循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系
2、避免死锁
破坏死锁的四个必要条件
加锁顺序一致
避免锁未释放的场景
资源一次性分配
四、同步
为什么会引入同步，主要是为了解决访问临界资源的合理性的问题
按照一定的顺序，进行临界资源的访问，线程同步，当我们申请临界资源前需要先做临界资源时候存在的检测，做检测的本质就是访问临界资源，所以得出结论就是对临界资源的检测，也一定需要在加锁和解锁之间的
接着这里总结一下
1、常见的线程安全的情况
每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安的类或者接口对于线程来说都是原子操作
多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性
2、常见不可重入的情况
调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的
调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构
可重入函数体内使用了静态的数据结构
3、常见可重入的情况
不使用全局变量或静态变量
不使用用malloc或者new开辟出的空间
不调用不可重入函数
不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供
使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据
4、可重入与线程安全联系
函数是可重入的，那就是线程安全的
函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题
如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的
5、可重入与线程安全区别
可重入函数是线程安全函数的一种
线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。
如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。