线程编程之同步基础

同步概念

    所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对"同步"的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等

    而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。"同"字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步

    同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

    线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有完成工作、得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。

举例1：    银行存款 5000。柜台，折：取3000；提款机，卡：取 3000。剩余：2000

举例2： 内存中100字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续    从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。

产生的现象叫做"与时间有关的错误"(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。

"同步"的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。

    因此，所有"多个控制流，共同操作一个共享资源"的情况，都需要同步。

数据混乱原因：

1. 资源共享（独享资源则不会）    

2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）    

3. 线程间缺乏必要的同步机制。

 以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。

所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。

互斥量mutex

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

资源还是共享的，线程间也还是竞争的，                            

但通过"锁"就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。

所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把"建议锁"（又称"协同锁"），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。

因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

主要应用函数：

    pthread_mutex_init函数

    pthread_mutex_destroy函数

    pthread_mutex_lock函数

    pthread_mutex_trylock函数

    pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。    

pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。

pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1

    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

    参1：传出参数，调用时应传 &mutex    

    restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改

    参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性

静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g. 

pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g. pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

销毁一个互斥锁

    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函数

加锁。可理解为将mutex--（或-1）

    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函数

解锁。可理解为将mutex ++（或+1）

    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函数

尝试加锁

    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

加锁与解锁

lock与unlock：

    lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。

    unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度算法。默认：先阻塞、先唤醒。

    例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。

    可假想mutex锁 init成功初值为1。    lock 功能是将mutex--。    unlock将mutex++

lock与trylock：

    lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。

    trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

加锁步骤测试：

    看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱：

#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h> void *tfn(void *arg){    srand(time(NULL));    while (1) {         printf("hello");        sleep(rand() % 3); /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/       printf("world\n");        sleep(rand() % 3);    }    return NULL;}int main(void){    pthread_t tid;    srand(time(NULL));    pthread_create(&tid,NULL, tfn, NULL);    while (1) {        printf("HELLO");        sleep(rand() % 3);       printf("WORLD\n");        sleep(rand() % 3);    }    pthread_join(tid, NULL);    return 0;}                          

修改该程序，使用mutex互斥锁进行同步。                                        

1. 定义全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destroy
2. 两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock
3. 将unlock挪至第二个sleep后，发现交替现象很难出现。

   线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。

   所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会                                       

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>pthread_mutex_t mutex;      //定义锁void *tfn(void *arg){    srand(time(NULL));    while (1) {        pthread_mutex_lock(&mutex);        printf("hello ");        sleep(rand() % 3);/*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/        printf("world\n");        pthread_mutex_lock(&mutex);        sleep(rand() % 3);    }    return NULL;}int main(void){    int flg = 5;    pthread_t tid;    srand(time(NULL));    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // mutex==1    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);    while (flg--) {        pthread_mutex_lock(&mutex);        printf("HELLO ");        sleep(rand() % 3);        printf("WORLD\n");        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sleep(rand() % 3);    }    pthread_cancel(tid);    pthread_join(tid, NULL);    pthread_mutex_destroy(&mutex);      return 0;}/*线程之间共享资源stdout*/

1. main 中加flag = 5 将flg在while中-- 这时，主线程输出5次后试图销毁锁，但子线程未将锁释放，无法完成。
2. main 中加pthread_cancel()将子线程取消。

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>pthread_mutex_t mutex;void err_thread(int ret, char *str){    if (ret != 0) {        fprintf(stderr, "%s:%s\n", str, strerror(ret));        pthread_exit(NULL);    }}void *tfn(void *arg){    srand(time(NULL));    while (1) {        pthread_mutex_lock(&mutex);        printf("hello ");        sleep(rand() % 3);/*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/        printf("world\n");        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sleep(rand() % 3);    }    return NULL;}int main(void){    int flag = 5;    pthread_t tid;    srand(time(NULL));    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);    while (flag--) {        pthread_mutex_lock(&mutex);        printf("HELLO ");        sleep(rand() % 3);        printf("WORLD\n");        pthread_mutex_unlock(&mutex);        sleep(rand() % 3);    }    pthread_cancel(tid);                //  将子线程杀死,子线程中自带取消点    pthread_join(tid, NULL);    pthread_mutex_destroy(&mutex);    return 0;                           //main中的return可以将整个进程退出}/*线程之间共享资源stdout*/

结论：

    在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的"粒度"应越小越好。