Linux多线程（8.3 线程同步与互斥）

3. 线程的同步与互斥

为什么需要同步与互斥

一个进程运行时，数据存储在内存中。如果一个数据要进行运算，必须先将数据拷贝到寄存器中。比如要对栈上的一个int i进行“++”操作，需要将i的值拷贝到寄存器中，将该值自加后再拷贝到原来的内存。

如果此时有两个线程均进行的是这样的操作，可能出现两个线程都拷贝了i原来的值到寄存器，然后各种加一，再拷贝到i对应内存的情况，最终导致i这个变量只自加了一次。

（个人理解：写数据的过程为：

把内存中的i拷贝进寄存器；
i++；
读取寄存器中的i到内存；

两个线程同时写产生的问题：

A线程把i拷贝进寄存器，i++；
此时B线程又把内存中的i拷贝进了寄存器，覆写了原本寄存器中已经+1的i，B线程执行i++操作；
A、B线程分别读取寄存器中的i；

此时的i就只自加了一次。

）

线程的同步与互斥的三种机制

互斥量
信号量
条件变量

3.1 互斥量

（1）原子性

如果一个线程锁定了一个互斥量，那么临界区内的操作要么全部完成，要么一个也不执行。

（2）唯一性

需要注意的问题：有可能上锁后忘记解锁；或者在解锁语句前程序抛出异常，导致无法解锁。

在c++中，lock()之后容易忘记unlock()，与忘记释放指针所指堆内存空间导致内存泄露的情况类似。于是与智能指针类似，也有了lock_guard，用来防止开发人员忘了解锁。

lock_guard：

（3）非繁忙等待

3.2 互斥量使用

互斥量使用过程如下：

（1）互斥量声明与初始化

（2）互斥量加锁

C语言中，通过系统调用pthread_mutex_lock对互斥量加锁。

（3）互斥量判断是否加锁

pthread_mutex_trylock()用于判断线程是否加锁，语义与pthread_mutex_lock类似，不同的是在锁被占用时返回EBUSY错误而不是挂起等待。

（4）访问共享资源

（5）互斥量解锁

pthread_mutex_unlock调用对指定的互斥量解锁。

（6）互斥量销毁

pthread_mutex_destroy()用于注销一个互斥量。

3.3 信号量

信号量可以实现线程的同步与互斥（设置不同的初始值，例如同步设为0，互斥设为1），其本质就是P/V操作，

也就是wait(S)和signal(S)这两个原语。

1. 记录型信号量

value：代表资源数目的整型变量；

L：进程链表，用于链接所有等待该资源的进程。

记录型信号量可描述为：

typedef struct{
  int value;
  struct process *L;
}semaphore;

相应的wait(S)和signal(S)操作如下：

void wait(semaphore S)	//相当于申请资源
{
    S.value--;
    if(S.value < 0)
    {
        add this process to S.L;
        block(S.L); //block原语，进行自我阻塞，放弃处理机
    }
}

void signal(semaphore S)	//相当于释放资源
{
    S.value++; //释放一个进程，使可供分配的资源数+1
    if(S.value <= 0)	//若+1后仍是S.value <= 0，则表示在S.L中仍有等待该资源的进程被阻塞
    {
        remove a process P from S.L;
        wakeup(P); //wakeup原语，唤醒S.L中的第一个等待进程
    }
}

2. 利用信号量实现同步

设S为进程P1，P2的公共信号量，初值为0。

进程P2中的y语句要使用P1中x语句的运行结果，所以只有当x执行完毕后y才可以执行。

实现进程同步的算法如下：

semaphore S = 0;	//初始化信号量
P1()
{
    x;	//语句x
    V(S);	//告诉进程P2，语句x已经完成
    ...
}
P2()
{
    ...
    P(S);	//检查语句x是否执行完成
    y;	//检查无误，运行y语句
    ...
}

3. 利用信号量实现进程互斥

设S为进程P1，P2的公共信号量，初值为1。

实现进程互斥的算法如下：

semaphore S = 1;	//初始化信号量
P1()
{
    ...
    P(S);	//准备开始访问临界区，加锁
    进程P1的临界区;
    V(S);	//访问结束，解锁
    ...
}
P2()
{
    ...
    P(S);	//准备开始访问临界区，加锁
    进程P2的临界区;
    V(S);	//访问结束，解锁
    ...
}