文章目录

• 0、接上篇
• 1、同步存在的必要性
• • 1.1 样例引入
  • 1.2 结论
• 2、条件变量
• • 2.1 条件变量的原理 && 使用
  • 2.3 条件变量的接口
  • • 初始化接口
    • 等待接口
    • 唤醒接口
    • 销毁接口
    • 2.4 条件变量夺命追问
    • 2.5 条件变量的代码

0、接上篇

线程安全

1、同步存在的必要性

1.1 样例引入

有了互斥之后，为什么还要有同步呢？
这个问题值得我们讨论，我们知道，互斥通过控制线程的访问时序从而保证线程的安全。既然线程已经是安全的了，那还有同步什么事情呢？
我们通过一个例子慢慢体会一下：

现在有一个这样的场景：
有两个人，A和B，有一只碗，A一直向碗中做面，B一直从碗里吃面。

这种情况，我们看到的结果应该要是A做一碗，B吃一碗

将上述情景翻译为线程相关的描述就是：
有一个全局的临界资源g_bowl,其中g_bowl = 1表示有面， g_bowl = 0表示没面。有两个线程A和B，A是一个做面线程，只负责向碗里做面，B是一个吃面线程，只负责从碗里吃面。

我们想得到的结果：碗里没面，A去做，碗里有面，B去吃！

好的，我们通过代码模拟一下上面的场景：

#include#include#include#define THREAD_COUNT 1int g_bowl = 0;//0-->没有面  1-->有面pthread_mutex_t g_lock;void* eat_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); printf("I am eat thread: eat %d\n",g_bowl--); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); usleep(1);    }}void* make_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); printf("I am make thread: make %d\n",++g_bowl); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); usleep(1);    }}int main(){    //初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);    pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];    //创建做面和吃面的线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; } ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; }    }    //主线程等待工作线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { pthread_join(eat[i],NULL); pthread_join(make[i],NULL);    }    //销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&g_lock);    return 0;}

输出结果：

从上面的例子我们可以得到这样一个信息：

1、仅仅有互斥是不能够满足我们的程序需求的
2、线程访问临界区代码存在不合理性

1.2 结论

1、多个线程保证了互斥，也就保证了线程能够独占访问临界资源了。但是，并不能保证线程访问临界资源的合理性
2、同步存在的意义就是保证多个线程对临界资源访问的合理性，这个合理性建立在互斥的基础上

那如何实现同步呢？我们可以通过判断的方式解决：
🆗，我们现在将上面的代码更改一下，通过判断的方式，保证线程访问临界资源的合理性~具体的思路如下图：
图解：

我们实现一下代码，其实很简单，只需要在两个线程的入口函数内部加上判断即可：

好的，我们来看一下运行结果：

我们发现结果貌似和我们想要的是一致了。但是这样的代码有什么问题没有？
我们结合代码来分析一下：

运行结果如下：

要想解决这个问题，我们就需要了解条件变量，使用条件变量接口来解决，而不是简单的判断解锁~

2、条件变量

2.1 条件变量的原理 && 使用

原理：
 条件变量本质上是一个PCB等待队列，存放着等待的线程的PCB
使用：
 线程在加锁之后，先判断临界资源是否可用，如果可用，直接访问临界资源，如果不可用，调用条件变量的等待接口，让线程进行等待。

2.3 条件变量的接口

初始化接口

1. 动态初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t * restrict attr);
参数

cond：条件变量的指针（地址）
attr：表示条件变量的属性信息，一般传递NULL，表示使用默认属性

返回值

初始化成功 ---- 返回0
初始化失败-----设置errno并返回

2. 静态初始化

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER；

等待接口

哪个线程调用等待接口，就将哪个线程放到条件变量对应的PCB等待队列中去

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t* restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex)
参数

cond：条件变量的指针（地址）
mutex：互斥锁

唤醒接口

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t * cond)；
唤醒PCB等待队列当中的所有线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t * cond)；
唤醒PCB等待队列当中的至少一个线程

销毁接口

将条件变量进行销毁
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t* cond)；

有了这些知识，我们再次对上面的代码做出如下修改：

#include#include#include#define THREAD_COUNT 1int g_bowl = 0;//0-->没有面  1-->有面pthread_mutex_t g_lock;pthread_cond_t g_cond;void* eat_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); if(g_bowl == 0) {     printf("我是吃面人，碗里没有面，我就不吃了~~~\n");     pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock); } printf("I am eat thread: eat %d\n",g_bowl--); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); //通知做面线程做面 pthread_cond_signal(&g_cond);    }}void* make_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); if(g_bowl == 1) {     printf("我是做面人，碗里有面，我就不做了~~~\n");     pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock); } printf("I am make thread: make %d\n",++g_bowl); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); //通知吃面线程吃面 pthread_cond_signal(&g_cond);    }}int main(){    //初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);    //初始化条件变量    pthread_cond_init(&g_cond,NULL);    pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];    //创建做面和吃面的线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; } ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; }    }    //主线程等待工作线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { pthread_join(eat[i],NULL); pthread_join(make[i],NULL);    }    //销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&g_lock);    //销毁条件变量    pthread_cond_destroy(&g_cond);    return 0;}

分析代码：

运行结果：

但是，对于多个吃面线程和多个做面线程是否依旧成立呢？我们将县城徐良更改后看一下现象：

让程序跑起来，通过pstack查看线程数量，确保创建的线程符合我们的预期

一共有5个线程，一个主线程和4个工作线程。4个工作线程由2个做面线程和2个吃面线程组成。符合我们的预期

分析运行结果：

为什么会出现这样的现象，是值得我们深思的地方。要想理清楚这里面的缘由，我们需要先搞清楚pthread_cond_wait这个接口都做了些什么工作

2.4 条件变量夺命追问

条件变量的等待接口第二个参数为什么会有互斥锁

前提：在线程访问临界资源之前,一定是加锁访问的，因为要保证互斥！
将互斥锁传递给pthread_cond_wait接口，目的就是让该接口在内部执行解锁操作

为什么要解锁呢？通过下面的分析你可以得到答案

pthread_cond_wait的内部针对互斥锁做了什么操作？先释放互斥锁还是先将线程放到PCB等待队列？

1、pthread_cond_wait接口在内部对互斥锁进行了解锁操作
2、先将线程放到PCB等待队列，再释放互斥锁

执行先后的原因如下：

对于上图的两种情况，分别进行分析：

因此，情况二才是正确的。即先将线程放到PCB等待队列，再对互斥锁进行解锁

线程被唤醒之后会执行什么代码？

pthread_cond_wait函数在被唤醒之后一定会在其内部进行加锁操作

当然，加锁的权限和其他不在PCB等待队列中的线程是一样的，也就是说，它并不一定就能够抢到锁。

1、抢到锁了：pthread_cond_wait函数就真正执行完毕了,函数返回。
2、没有抢到锁：pthread_cond_wait函数没有真正的执行完毕，还处于内部抢锁的逻辑当中，还会继续去抢锁，直到抢到互斥锁后才返回

2.5 条件变量的代码

好的，我们在了解了pthread_cond_wait接口更多细节之后，我们来分析一下，为什么吃面线程和做面线程由1个变为2个之后，程序就出错了呢？

分析的前提场景如下图：

下面描述的场景是有可能存在的，由于线程间是抢占式执行的，因此在分析问题的时候常常使用假设的方式：

那么，我们应该如何更改这个代码呢？
只需要将线程入口函数处的条件判断if更改为while，在pthread_cond_wait接口退出的时候就会循环上去判断临界资源是否可用，进而保证了临界资源访问的合理性！
具体代码如下：

#include#include#include#define THREAD_COUNT 2int g_bowl = 0;//0-->没有面  1-->有面pthread_mutex_t g_lock;pthread_cond_t g_cond;void* eat_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); while(g_bowl == 0) {     printf("我是吃面人%p，碗里没有面，我就不吃了~~~\n",pthread_self());     pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock); } printf("我是吃面人%p: eat %d\n",pthread_self(),g_bowl--); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); //通知做面线程做面 pthread_cond_signal(&g_cond);    }}void* make_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); while(g_bowl == 1) {     printf("我是做面人%p，碗里有面，我就不做了~~~\n",pthread_self());     pthread_cond_wait(&g_cond,&g_lock); } printf("我是做面人%p: make %d\n",pthread_self(),++g_bowl); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); //通知吃面线程吃面 pthread_cond_signal(&g_cond);    }}int main(){    //初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);    //初始化条件变量    pthread_cond_init(&g_cond,NULL);    pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];    //创建做面和吃面的线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; } ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; }    }    //主线程等待工作线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { pthread_join(eat[i],NULL); pthread_join(make[i],NULL);    }    //销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&g_lock);    //销毁条件变量    pthread_cond_destroy(&g_cond);    return 0;}

运行结果

但是，我们又发现了一个问题，程序运行一段时间就卡死了，也不会退出！
遇到这种情况，我们先通过pstack来查看一下每个线程的状态，进而分析程序出错的原因

为什么会出现所有的工作线程都处于PCB等待队列中呢？
原因是，在线程通知PCB等待队列中的线程的时候，将同种类的线程通知出来了，然后判断临界资源是不可用状态，因此刚被通知出来的线程什么工作也没有做，就又进入PCB等待队列中了。

那因该如何解决这种问题呢？
 只需要将吃面线程和做面线程的条件变量分开就可以了。这样吃面线程通知的永远是做面线程条件变量对应的PCB等待队列，做面线程通知的永远是吃面线程条件变量对应的PCB等待队列。这样就不会出现上述的情况了！

🆗，理解到这里我们重新更改一下代码：
这里的代码已经是终极版本了，代码解决了多线程的安全性问题以及对临界资源的访问合理性问题！！

#include#include#include#define THREAD_COUNT 2int g_bowl = 0;//0-->没有面  1-->有面pthread_mutex_t g_lock;pthread_cond_t g_eat_cond;//吃面线程的条件变量pthread_cond_t g_make_cond;//做面线程的条件变量void* eat_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); while(g_bowl == 0) {     printf("我是吃面人%p，碗里没有面，我就不吃了~~~\n",pthread_self());     pthread_cond_wait(&g_eat_cond,&g_lock); } printf("我是吃面人%p: eat %d\n",pthread_self(),g_bowl--); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); //通知做面线程做面 pthread_cond_signal(&g_make_cond);    }}void* make_thread_start(void* arg){    while(1)    { //加锁 pthread_mutex_lock(&g_lock); while(g_bowl == 1) {     printf("我是做面人%p，碗里有面，我就不做了~~~\n",pthread_self());     pthread_cond_wait(&g_make_cond,&g_lock); } printf("我是做面人%p: make %d\n",pthread_self(),++g_bowl); //解锁 pthread_mutex_unlock(&g_lock); //通知吃面线程吃面 pthread_cond_signal(&g_eat_cond);    }}int main(){    //初始化互斥锁    pthread_mutex_init(&g_lock,NULL);    //初始化条件变量    pthread_cond_init(&g_eat_cond,NULL);    pthread_cond_init(&g_make_cond,NULL);    pthread_t eat[THREAD_COUNT],make[THREAD_COUNT];    //创建做面和吃面的线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { int ret = pthread_create(&eat[i], NULL, eat_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; } ret = pthread_create(&make[i], NULL, make_thread_start, NULL); if(ret < 0) {     perror("pthread_create");     return 0; }    }    //主线程等待工作线程    for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)    { pthread_join(eat[i],NULL); pthread_join(make[i],NULL);    }    //销毁互斥锁    pthread_mutex_destroy(&g_lock);    //销毁条件变量    pthread_cond_destroy(&g_eat_cond);    pthread_cond_destroy(&g_make_cond);    return 0;}

程序正常，达到了预期的效果！

到这里，多线程安全篇的相关内容就告一段落了~，感觉本文有所帮助的读友们记得多多评论、转发！分享给身边的朋友们！！！