Linux-------线程安全

为什么会产生线程安全问题

线程之间通信极为方便灵活，但是多个线程作为多个执行流对同一个临界资源进行访问，就有可能出现数据二义性，所以这就产生了线程安全
临界资源:多个线程执行流共享的资源就叫做临界资源
如何实现线程安全
1.同步: 多个线程之间对临界资源访问的时序合理性
—通过对方是否满足对临街组员的操作条件来判断线程是否等待或唤醒这种方式实现对临界资源访问的时序合理性
2.互斥: 线程之间对临界资源访问的安全性
—同一时间只有一个线程访问
互斥实现
互斥锁(死锁) :通过0/1计数器来实现两种标记(访问或不能访问)
实现加锁/解锁操作:必须保证操作的原子性
1.原子性: 不会被任何调度机制打断的操作, 该操作只有两态, 要么完成 , 要么未完成
pthread_mutex_init (pthread_mutex_t *mutex , NULL)\
int phread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
pathread_mutex_lock(pathread_mutex_t *mutex)阻塞加锁–无法加锁则挂机等待
pathread_mutex_ trylock(pathread_mutex_t *mutex)非阻塞加锁-----无法加锁则立即报错返回
pathread_mutex_unlock(pathread_mutex_t *mutex)—解锁
以票贩子抢票为案例实现互斥

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>int ticket = 100;
pthread_mutex_t  mutex;void *ticket_scalper(void *arg)
{char* id = (char*)arg;while(1){//互斥锁保护的是临界资源，加锁放在临界操作之前//int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//阻塞加锁--无法加则挂起等待//int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//非阻塞加锁--无法加锁则立即报错返回pthread_mutex_lock(&mutex);if(ticket > 0){printf("%sticket_scalper:---get a ticket:%d\n", id ,ticket);ticket--;}else{//需要在线程任意有可能推出的地方进行解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_exit(NULL);}//临界资源操作完毕后一定记得解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}int main()
{int i = 0, ret;pthread_t tid[4];//互斥锁初始化//int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,//  const pthread_mutexattr_t *restrict attr);//  mutex:互斥锁变量//  attr：互斥锁属性(通常置NULL)pthread_mutex_init(&mutex , NULL);for(i = 0 ; i < 4 ; i++){ret = pthread_create(&tid[i] , NULL , ticket_scalper , (void*)i);if(ret != 0){printf("create scalper failed !!\n");return -1;}}for(i = 0 ; i < 4 ; i++){pthread_join(tid[i] , NULL);}//销毁互斥锁，释放资源//int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

同步实现
若当前不能对临界资源进行访问, 则让线程等待, 等待到临界资源满足被线程访问的条件年 , 则唤醒线程的等待
条件变量: 通过向外提供接口 , 实现等待与唤醒功能来实现线程间的同步
1.同步让用户可以对当前临界资源访问状态来判断是否等待或唤醒
2.竞态条件：因为时序问题，而导致程序异常，我们称之为竞态条件。在线程场景下，这种问题也不难理解
因未提供条件判断的功能, 到第一个线程什么时候应该等待 , 什么时候唤醒,所以这些需用户自己做判断
1.用户对条件判断需要使用循环判断–防止当前不符合条件被浣熊之后因为不循, 因此直接操作临界资源
2.不同的角色线程应该等待在不同的条件变量队列上–防止角色误唤醒, 导致程序阻塞
pathread_cond_t cond
pathread_cond_init(pathread_cond_t *, pthread_condattr_t *)
pathread_cond_wait(pathread_cond_t * , pathread_mutex_t *)–解锁+等待+被唤醒后加锁
pathread_cond_singnal(pathread_cond_t *)–唤醒至少一个线程
pathread_cond_timedwait(pathread_cond_t *)----限时等待
pathread_cond_braoadcast–广播唤醒所有等待的线程
pathread_cond_destroy(pathread_cond_t *)–销毁
以在面馆吃面中厨师做面和顾客吃面为案例实现同步

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>int is_have_noodles = 0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t hall_foodie;
pthread_cond_t kitchen_chef;void *thr_chef()
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);while(is_have_noodles == 1){pthread_cond_wait(&kitchen_chef , &mutex);}printf("made a bowl of noodles\n");is_have_noodles = 1;pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_cond_signal(&hall_foodie);}return NULL;
}void *thr_foodie()
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);while(is_have_noodles == 0){pthread_cond_wait(&hall_foodie , &mutex);}printf("delicous\n");pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_cond_signal(&kitchen_chef);}
}int main()
{int ret , i;pthread_t ctid[4] , etid[4];pthread_mutex_init(&mutex , NULL);pthread_cond_init(&hall_foodie , NULL);pthread_cond_init(&kitchen_chef , NULL);for(int i = 0 ; i < 4 ; i++){ret = pthread_create(&ctid[i] , NULL , thr_chef ,(void*)i);if(ret != 0){printf("create chef error\n");return -1;}}for(i = 0 ; i < 4 ; i++){ret = pthread_create(&etid[i] , NULL , thr_foodie ,(void*)i);if(ret != 0){printf("create foodie error\n");return -1;}}for(int i = 0 ; i < 4 ; i ++){pthread_join(ctid[i] , NULL);pthread_join(etid[i] , NULL);}pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&hall_foodie);pthread_cond_destroy(&kitchen_chef);return 0;
}

信号量
实现进程/线程间同步与互斥
- posix标准信号量----库函数
  1.线程间—全局计数器
  2.进程间—共享内存
  3.接口

1.sem_t
2.sem_init(sem_t *sem, int flag , int val) flag: 0--线程间 !0--进程间   initval  设置计数器初值
3.sem_wait(sem_t *sem)//计数-1，进行判断是否有资源，<0则阻塞>0则调用返回
4.sem_trywait(sem_t *sem） ---非阻塞--没有资源则直接报错返回
5.sem_timedwait(sem_t *sem)--等待一段时间，期间若一直没有资源则报错返回
6.sem_post(sem_t *sem)--计数+1并且唤醒等待
7.sem_destroy(sem_t *sem)

system V 信号量
内核中的计数器----系统调用
同步实现
等待+唤醒+等待队列条件变量+信号量
- 条件变量: 等待+唤醒+等待队列(条件需要用户进行外部判断)
  1.需要搭配互斥锁一起使用
- 信号量: 通过自身内部计数实现的条件的判断
  1.不需用搭配互斥锁(自身计数需保持原子操作)
- 信号量通过一个计数器对资源的计数, 并且通过对这个计数来判断当前资源是否能够对临界资源进行访问(对临界资源访问之前先发起调用访问信号量进行判断是否能够访问)
  1.若计数器>0 则可以进行访问 ,调用直接返回, 并且计数-1
  2.若计数<=0 则表示没有资源 ,无法访问 ,调用阻塞(挂起线程)
  3.若其他线程产生一个资源, 则发起调用, 资源计数+1,唤醒队列上的线程
互斥实现
互斥锁+信号量
1.计数只有0/1 ; 用户标记两种状态(资源只有一个,同一时间就只有一个线程能够访问)
2.对临界资源访问之前先进行判断计数, 若>0, 则计数-1, 并且调用返回 , 对临界资源进行访问,访问完毕 ,计数+1, 唤醒所有技术 ,重新开始抢夺
用vector实现线程安全的环形队列: RingQueue
- 通过read/write指向初始位置
  - read指针和write指针位置相同表示队列中无数据
  - 没取出一个数据read指针后移/ 添加一个数据write指针后移
    1.write位置指向末尾位置时需要回到初始位置
    2.write每次移动都需考虑下一位置是否是read指针的位置(表示位置满了)
  - read每次移动都需考虑下一位是否和write指针是否位置相同(位置相同则表中无数据)
死锁
多个线程对锁资源进行争抢 ,因为推进的顺序不当而导致的相互等待, 是程序流程无法继续向下
- 达成死锁的四个条件
  1.互斥条件
  2.不可剥夺条件
  3.请求与保持条件
  4.环路等待条件
- 死锁的预防: 破坏必要条件一个或多个
- 死锁的避免:银行家算法\
读写锁
- 写互斥, 读共享
- 实现:
  - 两个计数器
    1.读者计数
    2.写者计数
  - 加写锁 : 对两个计数器进行判断若任意一个计数器>0 ;都无法加写锁, 需要等待
  - 加读锁: 对写着计数进行判断, 若>0 则无法加读锁 , 需要等待
- 读写锁是通过自旋锁实现的: 不满足条件时自旋等待
  1.等待中不停地循环对条件进行判断—自旋等待
读写锁
一直循环 , 在它占用CPU时 , 是独占CPU其他条件无法打断
- 使用场景 : 对数据的操作时间确定很短的情况
- 对雨刮器等待被唤醒的时间相较于数据处理时间可以忽略不计的情况下(倾向挂起等待)

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