【操作系统】【进程管理】多线程冲突了怎么办？

1  前言

对于共享资源，如果没有上锁，在多线程的环境里，那么就可能会发生翻车现场。这节我们来看看操作系统中避免多线程资源竞争的互斥、同步的方法。

2  竞争与协作

在单核 CPU 系统里，为了实现多个程序同时运行的假象，操作系统通常以时间片调度的方式，让每个进程执行每次执行一个时间片，时间片用完了，就切换下一个进程运行，由于这个时间片的时间很短，于是就造成了「并发」的现象。

另外，操作系统也为每个进程创建巨大、私有的虚拟内存的假象，这种地址空间的抽象让每个程序好像拥有自己的内存，而实际上操作系统在背后秘密地让多个地址空间「复用」物理内存或者磁盘。

如果一个程序只有一个执行流程，也代表它是单线程的。当然一个程序可以有多个执行流程，也就是所谓的多线程程序，线程是调度的基本单位，进程则是资源分配的基本单位。

所以，线程之间是可以共享进程的资源，比如代码段、堆空间、数据段、打开的文件等资源，但每个线程都有自己独立的栈空间。

 

那么问题就来了，多个线程如果竞争共享资源，如果不采取有效的措施，则会造成共享数据的混乱。

我们做个小实验，创建两个线程，它们分别对共享变量 i 自增 1 执行 10000 次，如下代码（虽然说是 C++ 代码，但是没学过 C++ 的同学也是看到懂的）：

按理来说，i 变量最后的值应该是 20000，但很不幸，并不是如此。我们对上面的程序执行一下：

运行了两次，发现出现了 i 值的结果是 15173，也会出现 20000 的 i 值结果。

每次运行不但会产生错误，而且得到不同的结果。在计算机里是不能容忍的，虽然是小概率出现的错误，但是小概率事件它一定是会发生的，「墨菲定律」大家都懂吧。

为什么会发生这种情况？

为了理解为什么会发生这种情况，我们必须了解编译器为更新计数器 i 变量生成的代码序列，也就是要了解汇编指令的执行顺序。

在这个例子中，我们只是想给 i 加上数字 1，那么它对应的汇编指令执行过程是这样的：

可以发现，只是单纯给 i 加上数字 1，在 CPU 运行的时候，实际上要执行 3 条指令。

设想我们的线程 1 进入这个代码区域，它将 i 的值（假设此时是 50 ）从内存加载到它的寄存器中，然后它向寄存器加 1，此时在寄存器中的 i 值是 51。

现在，一件不幸的事情发生了：时钟中断发生。因此，操作系统将当前正在运行的线程的状态保存到线程的线程控制块 TCB。

现在更糟的事情发生了，线程 2 被调度运行，并进入同一段代码。它也执行了第一条指令，从内存获取 i 值并将其放入到寄存器中，此时内存中 i 的值仍为 50，因此线程 2 寄存器中的 i 值也是 50。假设线程 2 执行接下来的两条指令，将寄存器中的 i 值 + 1，然后将寄存器中的 i 值保存到内存中，于是此时全局变量 i 值是 51。

最后，又发生一次上下文切换，线程 1 恢复执行。还记得它已经执行了两条汇编指令，现在准备执行最后一条指令。回忆一下， 线程 1 寄存器中的 i 值是51，因此，执行最后一条指令后，将值保存到内存，全局变量 i 的值再次被设置为 51。

简单来说，增加 i （值为 50 ）的代码被运行两次，按理来说，最后的 i 值应该是 52，但是由于不可控的调度，导致最后 i 值却是 51。

针对上面线程 1 和线程 2 的执行过程，我画了一张流程图，会更明确一些：

 

2.1  互斥的概念

上面展示的情况称为竞争条件（race condition），当多线程相互竞争操作共享变量时，由于运气不好，即在执行过程中发生了上下文切换，我们得到了错误的结果，事实上，每次运行都可能得到不同的结果，因此输出的结果存在不确定性（indeterminate）。

由于多线程执行操作共享变量的这段代码可能会导致竞争状态，因此我们将此段代码称为临界区（critical section），它是访问共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行。

我们希望这段代码是互斥（mutualexclusion）的，也就说保证一个线程在临界区执行时，其他线程应该被阻止进入临界区，说白了，就是这段代码执行过程中，最多只能出现一个线程。

另外，说一下互斥也并不是只针对多线程。在多进程竞争共享资源的时候，也同样是可以使用互斥的方式来避免资源竞争造成的资源混乱。

2.2  同步的概念

互斥解决了并发进程/线程对临界区的使用问题。这种基于临界区控制的交互作用是比较简单的，只要一个进程/线程进入了临界区，其他试图想进入临界区的进程/线程都会被阻塞着，直到第一个进程/线程离开了临界区。

我们都知道在多线程里，每个线程并不一定是顺序执行的，它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进，但有时候我们又希望多个线程能密切合作，以实现一个共同的任务。

例子，线程 1 是负责读入数据的，而线程 2 是负责处理数据的，这两个线程是相互合作、相互依赖的。线程 2 在没有收到线程 1 的唤醒通知时，就会一直阻塞等待，当线程 1 读完数据需要把数据传给线程 2 时，线程 1 会唤醒线程 2，并把数据交给线程 2 处理。

所谓同步，就是并发进程/线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通信息称为进程/线程同步。

举个生活的同步例子，你肚子饿了想要吃饭，你叫妈妈早点做菜，妈妈听到后就开始做菜，但是在妈妈没有做完饭之前，你必须阻塞等待，等妈妈做完饭后，自然会通知你，接着你吃饭的事情就可以进行了。

注意，同步与互斥是两种不同的概念：

• 同步就好比：「操作 A 应在操作 B 之前执行」，「操作 C 必须在操作 A 和操作 B 都完成之后才能执行」等；
• 互斥就好比：「操作 A 和操作 B 不能在同一时刻执行」；

3  互斥与同步的实现和使用

在进程/线程并发执行的过程中，进程/线程之间存在协作的关系，例如有互斥、同步的关系。

为了实现进程/线程间正确的协作，操作系统必须提供实现进程协作的措施和方法，主要的方法有两种：

• 锁：加锁、解锁操作；
• 信号量：P、V 操作；

这两个都可以方便地实现进程/线程互斥，而信号量比锁的功能更强一些，它还可以方便地实现进程/线程同步。

3.1  锁

使用加锁操作和解锁操作可以解决并发线程/进程的互斥问题。

任何想进入临界区的线程，必须先执行加锁操作。若加锁操作顺利通过，则线程可进入临界区；在完成对临界资源的访问后再执行解锁操作，以释放该临界资源。

根据锁的实现不同，可以分为「忙等待锁」和「无忙等待锁」。

我们先来看看「忙等待锁」的实现

在说明「忙等待锁」的实现之前，先介绍现代 CPU 体系结构提供的特殊原子操作指令 —— 测试和置位（Test-and-Set）指令。

如果用 C 代码表示 Test-and-Set 指令，形式如下：

测试并设置指令做了下述事情:

• 把 old_ptr 更新为 new 的新值
• 返回 old_ptr 的旧值；

当然，关键是这些代码是原子执行。因为既可以测试旧值，又可以设置新值，所以我们把这条指令叫作「测试并设置」。

那什么是原子操作呢？原子操作就是要么全部执行，要么都不执行，不能出现执行到一半的中间状态

我们可以运用 Test-and-Set 指令来实现「忙等待锁」，代码如下：

我们来确保理解为什么这个锁能工作：

• 第一个场景是，首先假设一个线程在运行，调用 lock()，没有其他线程持有锁，所以 flag 是 0。当调用 TestAndSet(flag, 1) 方法，返回 0，线程会跳出 while 循环，获取锁。同时也会原子的设置 flag 为1，标志锁已经被持有。当线程离开临界区，调用 unlock() 将 flag 清理为 0。

• 第二种场景是，当某一个线程已经持有锁（即 flag 为1）。本线程调用 lock()，然后调用 TestAndSet(flag, 1)，这一次返回 1。只要另一个线程一直持有锁，TestAndSet() 会重复返回 1，本线程会一直忙等。当 flag 终于被改为 0，本线程会调用 TestAndSet()，返回 0 并且原子地设置为 1，从而获得锁，进入临界区。

很明显，当获取不到锁时，线程就会一直 while 循环，不做任何事情，所以就被称为「忙等待锁」，也被称为自旋锁（spin lock）。

这是最简单的一种锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。在单处理器上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

再来看看「无等待锁」的实现

无等待锁顾明思议就是获取不到锁的时候，不用自旋。

既然不想自旋，那当没获取到锁的时候，就把当前线程放入到锁的等待队列，然后执行调度程序，把 CPU 让给其他线程执行。

本次只是提出了两种简单锁的实现方式。当然，在具体操作系统实现中，会更复杂，但也离不开本例子两个基本元素。

3.2  信号量

信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。

通常信号量表示资源的数量，对应的变量是一个整型（sem）变量。

另外，还有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量的，分别是：

• P 操作：将 sem 减 1，相减后，如果 sem < 0，则进程/线程进入阻塞等待，否则继续，表明 P 操作可能会阻塞；
• V 操作：将 sem 加 1，相加后，如果 sem <= 0，唤醒一个等待中的进程/线程，表明 V 操作不会阻塞；

TIP

很多人问，V 操作 中 sem <= 0 的判断是不是写反了？

没写反，我举个例子，如果 sem = 1，有三个线程进行了 P 操作：

• 第一个线程 P 操作后，sem = 0；
• 第二个线程 P 操作后，sem = -1；
• 第三个线程 P 操作后，sem = -2；

这时，第一个线程执行 V 操作后， sem 是 -1，因为 sem <= 0，所以要唤醒第二或第三个线程。

P 操作是用在进入临界区之前，V 操作是用在离开临界区之后，这两个操作是必须成对出现的。

举个类比，2 个资源的信号量，相当于 2 条火车轨道，PV 操作如下图过程：

操作系统是如何实现 PV 操作的呢？

信号量数据结构与 PV 操作的算法描述如下图：

PV 操作的函数是由操作系统管理和实现的，所以操作系统已经使得执行 PV 函数时是具有原子性的。

PV 操作如何使用的呢？

信号量不仅可以实现临界区的互斥访问控制，还可以线程间的事件同步。

我们先来说说如何使用信号量实现临界区的互斥访问。

为每类共享资源设置一个信号量 s，其初值为 1，表示该临界资源未被占用。

只要把进入临界区的操作置于 P(s) 和 V(s) 之间，即可实现进程/线程互斥：

此时，任何想进入临界区的线程，必先在互斥信号量上执行 P 操作，在完成对临界资源的访问后再执行 V 操作。由于互斥信号量的初始值为 1，故在第一个线程执行 P 操作后 s 值变为 0，表示临界资源为空闲，可分配给该线程，使之进入临界区。

若此时又有第二个线程想进入临界区，也应先执行 P 操作，结果使 s 变为负值，这就意味着临界资源已被占用，因此，第二个线程被阻塞。

并且，直到第一个线程执行 V 操作，释放临界资源而恢复 s 值为 0 后，才唤醒第二个线程，使之进入临界区，待它完成临界资源的访问后，又执行 V 操作，使 s 恢复到初始值 1。

对于两个并发线程，互斥信号量的值仅取 1、0 和 -1 三个值，分别表示：

• 如果互斥信号量为 1，表示没有线程进入临界区；
• 如果互斥信号量为 0，表示有一个线程进入临界区；
• 如果互斥信号量为 -1，表示一个线程进入临界区，另一个线程等待进入。

通过互斥信号量的方式，就能保证临界区任何时刻只有一个线程在执行，就达到了互斥的效果。

再来，我们说说如何使用信号量实现事件同步。

同步的方式是设置一个信号量，其初值为 0。

我们把前面的「吃饭-做饭」同步的例子，用代码的方式实现一下：

妈妈一开始询问儿子要不要做饭时，执行的是 P(s1) ，相当于询问儿子需不需要吃饭，由于 s1 初始值为 0，此时 s1 变成 -1，表明儿子不需要吃饭，所以妈妈线程就进入等待状态。

当儿子肚子饿时，执行了 V(s1)，使得 s1 信号量从 -1 变成 0，表明此时儿子需要吃饭了，于是就唤醒了阻塞中的妈妈线程，妈妈线程就开始做饭。

接着，儿子线程执行了 P(s2)，相当于询问妈妈饭做完了吗，由于 s2 初始值是 0，则此时 s2 变成 -1，说明妈妈还没做完饭，儿子线程就等待状态。

最后，妈妈终于做完饭了，于是执行 V(s2)，s2 信号量从 -1 变回了 0，于是就唤醒等待中的儿子线程，唤醒后，儿子线程就可以进行吃饭了。

3.3  生产者-消费者问题

生产者-消费者问题描述：

• 生产者在生成数据后，放在一个缓冲区中；
• 消费者从缓冲区取出数据处理；
• 任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区；

我们对问题分析可以得出：

• 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
• 缓冲区空时，消费者必须等待生产者生成数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步。

那么我们需要三个信号量，分别是：

• 互斥信号量 mutex：用于互斥访问缓冲区，初始化值为 1；
• 资源信号量 fullBuffers：用于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为 0（表明缓冲区一开始为空）；
• 资源信号量 emptyBuffers：用于生产者询问缓冲区是否有空位，有空位则生成数据，初始化值为 n （缓冲区大小）；

具体的实现代码：

如果消费者线程一开始执行 P(fullBuffers)，由于信号量 fullBuffers 初始值为 0，则此时 fullBuffers 的值从 0 变为 -1，说明缓冲区里没有数据，消费者只能等待。

接着，轮到生产者执行 P(emptyBuffers)，表示减少 1 个空槽，如果当前没有其他生产者线程在临界区执行代码，那么该生产者线程就可以把数据放到缓冲区，放完后，执行 V(fullBuffers) ，信号量 fullBuffers 从 -1 变成 0，表明有「消费者」线程正在阻塞等待数据，于是阻塞等待的消费者线程会被唤醒。

消费者线程被唤醒后，如果此时没有其他消费者线程在读数据，那么就可以直接进入临界区，从缓冲区读取数据。最后，离开临界区后，把空槽的个数 + 1。

4  小结

好啦，关于多线程冲突我们就看到这里，两个冲突主题：互斥、同步，通过锁、信号量来协同哈，有理解不对的地方欢迎指正哈。