探索Linux互斥：線程安全與資源共享

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文章專欄-Linux

前言：

互斥是并發編程中避免競爭條件和保護共享資源的核心技術。通過使用鎖或信號量等機制，能夠確保多線程或多進程環境下對共享資源的安全訪問，避免數據不一致、死鎖等問題。

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競爭條件

競爭條件（Race Condition）是并發程序設計中的一個問題，指在多個線程或進程并發執行時，由于它們對共享資源的訪問順序不確定，可能導致程序的輸出或行為依賴于執行的順序，從而產生不一致或不可預測的結果。

例如：一個假脫機打印程序。當一個進程需要打印一個文件時，它將文件名放在一個特殊的假脫機目錄**(spoalerdirectory)**下。另一個進程(打印機守護進程)則周期性地檢查是否有文件需要打印，若有就打印并將該文件名從目錄下刪掉)

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  • 理想情況：

    1. 設想假脫機目錄中有許多槽位，編號依次為0，1,2，……，每個槽位存放一個文件名。
    2. 同時假設有兩個共享變量:out，指向下一個要打印的文件:in，指向目錄中下一個空閑槽位。
    3. 可以把這兩個變量保存在一個所有進程都out=4進程Ain=7能訪問的文件中，該文件的長度為兩個字。
    4. 在某一時刻，進程B號至3號槽位空(其中的文件已經打印完畢)，4號至6號槽位被占用(其中存有排好隊列的要打印的文件名)。幾乎在同時刻，進程A和進程B都決定將一個文件排隊打印，這種情圖兩個進程同時想訪問共享內存

  • 實際情況：

    1. 進程A讀到 in 的值為7，將7存在一個局部變量 next_free_slot中。
    2. 此時發生一次時鐘中斷，CPU認為進程A已運行了足夠長的時間，決定切換到進程B。進程B也讀取in，同樣得到值為7，于是將7存在B的局部變量next_free_slot中。
    3. 在這一時刻兩個進程都認為下一個可用槽位是7.進程B現在繼續運行，它將其文件名存在槽位7中并將in的值更新為8。然后它離開，繼續執行其他操作最后進程A接著從上次中斷的地方再次運行。
    4. 它檢查變量 next_free_slot，發現其值為7，于是將打印文作名存人7號槽位，這樣就把進程B存在那里的文件名覆蓋掉。然后它將 next_free_slot加1，得到值為8，就將8存到in中。
    5. 此時，假脫機目錄內部是一致的，所以打印機守護進程發現不了任何錯誤，但進程B卻永遠得不到任何打印輸出。類似這樣的情況，即兩個或多個進程讀寫某些共享數據，而最后的結果取決于進程運行的精確時序，稱為競爭條件(race condition)。

實際搶票問題：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>using namespace std;#define NUM  10 // 定義線程數量，這里創建 10 個線程
int ticket = 1000; // 票數從 1000 開始// 線程執行的函數
void* mythread(void* args)
{pthread_detach(pthread_self());  // 分離線程，線程結束后自動釋放資源uint64_t number = (uint64_t)args;  // 將傳入的參數（線程編號）轉換為 uint64_t 類型while(true){if(ticket > 0) // 如果還有票{usleep(1000); // 模擬一些延遲，減少系統負載cout <<"thread: " << number << " ticket: " << ticket << endl; // 打印線程編號和剩余票數ticket--;  // 減少票數}else {break; // 如果沒有票了，退出循環}usleep(20);  // 再次暫停 20 微秒，模擬其他操作}return nullptr; // 線程結束時返回空指針
}int main()
{// 創建 NUM 個線程for(int i = 0; i < NUM; i++){pthread_t tid;pthread_create(&tid,nullptr,mythread,(void*)i);  // 創建線程，傳入線程編號}sleep(5); // 主線程等待 5 秒，確保子線程有足夠的時間執行cout <<"process quit ..." <<endl;  // 打印主線程退出消息return 0;
}

簡單描述：

  1. 線程數量和票數：
    • 定義了一個全局變量 ticket，初始值為 1000，表示共有 1000 張票。
    • 程序創建了 10 個線程（NUM = 10），每個線程將嘗試減少 ticket 的值，模擬每個線程購買一張票。
  2. 線程函數：
    • 每個線程執行 mythread 函數，函數內部通過一個 while 循環不斷檢查 ticket 是否大于 0。如果 ticket 大于 0，則線程會輸出剩余票數并減去一張票，模擬賣票操作。
    • 使用 usleep(1000) 模擬了一個小延遲，避免線程占用過多 CPU 資源，并且增加了另一個小的 usleep(20) 讓線程執行有一定的間隔。
  3. 主線程：
    • 主線程創建了 10 個線程，并且等待 5 秒后退出，給子線程一些時間執行任務。

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潛在問題：

  1. 競態條件（Race Condition）：
    • 問題描述：多個線程同時訪問并修改共享資源 ticket，可能會發生競態條件。由于 ticket-- 操作并不是原子的（即分為讀取、修改和寫入三步），多個線程在同一時間訪問 ticket 時，可能會同時讀取到相同的值并同時更新，導致票數沒有正確減少，可能會出現賣出同一張票的情況。
    • 解決方案：可以通過互斥鎖（pthread_mutex_t）來保證每次只有一個線程能修改 ticket，避免并發寫入導致的錯誤。

臨界區

臨界區（Critical Section） 是指在多線程或多進程程序中，共享資源被多個線程或進程同時訪問和修改的代碼區域。為了確保共享資源在多線程或多進程環境中的一致性和正確性，我們需要對訪問臨界區的操作進行同步控制，以避免發生競爭條件（Race Condition）。

臨界區的特點：

  1. 共享資源訪問：臨界區中的代碼通常會訪問共享資源，例如共享內存、文件、全局變量、硬件資源等。
  2. 并發執行：多個線程或進程可能同時嘗試進入臨界區，并對共享資源進行修改。
  3. 資源競爭：如果多個線程/進程在同一時刻進入臨界區并修改共享資源，就可能導致數據沖突、不一致或錯誤。

臨界區的問題：

  • 數據一致性問題：多個線程或進程同時修改共享數據，可能導致數據不一致、錯誤或丟失。
  • 資源沖突：當多個線程或進程試圖同時訪問共享資源時，可能會引發系統資源競爭，影響程序的正確性和效率。

解決方案

  • 互斥鎖（Mutex）： 互斥鎖用于確保在某一時刻只有一個線程能夠訪問臨界區。當一個線程需要進入臨界區時，它會獲取互斥鎖，其他線程必須等待該線程釋放鎖后才能進入臨界區。
  • 信號量（Semaphore）： 信號量可以控制對共享資源的并發訪問。通過限制允許訪問臨界區的線程數量，可以避免過多的線程同時進入臨界區。

這樣盡管可以避免競爭條件，但是這樣不能保證共享數據進行正確高效的協作，還要滿足以下4個條件：

  1. 任何兩個進程不能同時處于臨界區。
  2. 不應該對CPU的數量和速度進行任何假設。
  3. 臨界區外的進程不得阻塞其他進程。
  4. 不得使進程無期限等待進入臨界區。

臨界區的優化：

  1. 減少臨界區的長度：盡量將臨界區的代碼量減少到最小，避免過長時間占用臨界區。
  2. 避免不必要的鎖：對于只讀的共享資源，盡量避免加鎖，減少鎖帶來的性能開銷。
  3. 使用無鎖編程（Lock-Free Programming）：通過原子操作（如 atomic 類型）和 CAS（Compare-And-Swap）等無鎖技術，避免傳統鎖機制帶來的性能瓶頸。

互斥鎖

互斥鎖（Mutex） 是一種用于多線程編程的同步機制，旨在防止多個線程同時訪問和修改共享資源，從而確保數據的一致性和程序的正確性。

互斥鎖初始化

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  • 全局域初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 使用默認屬性初始化
  • 局部區初始化
pthread_mutex_t mutex;  // 定義一個互斥鎖變量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥鎖。NULL表示使用默認的屬性pthread_mutex_destroy(&mutex);  // 銷毀互斥鎖，在不再使用鎖時調用

加鎖、解鎖

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  • pthread_mutex_lock：用于鎖定一個互斥鎖。若互斥鎖已被其他線程鎖定，則調用線程會阻塞，直到互斥鎖被釋放。

  • pthread_mutex_trylock：嘗試鎖定互斥鎖。與 pthread_mutex_lock 不同的是，它不會阻塞線程。如果鎖定成功，返回 0；如果鎖定失敗（即鎖已經被其他線程持有），則返回一個非零值。

  • pthread_mutex_unlock：用于解鎖一個已鎖定的互斥鎖。如果當前線程沒有持有該鎖，調用此函數將導致未定義的行為。

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);  // 初始化互斥鎖pthread_mutex_lock(&mutex);  // 鎖定互斥鎖
// 訪問共享資源
pthread_mutex_unlock(&mutex);  // 解鎖互斥鎖

優化搶票問題

#include<iostream>   
#include<unistd.h>   
#include<pthread.h>  
using namespace std;pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  // 定義并初始化一個互斥鎖
#define NUM  10  // 定義創建的線程數量
int ticket = 1000;  // 定義一個全局變量 ticket，初始為 1000，表示票的數量// 線程函數，用于模擬每個線程購買票
void* mythread(void* args)
{pthread_detach(pthread_self());  // 將當前線程設置為分離線程，結束后自動回收資源uint64_t number = (uint64_t)args;  // 將傳入的參數（線程編號）轉換為 uint64_t 類型while(true)  // 循環，直到票數為 0{{pthread_mutex_lock(&lock);  // 鎖定互斥鎖，確保對 ticket 資源的互斥訪問if(ticket > 0)  // 如果還有票{usleep(1000);  // 模擬工作延遲，單位為微秒（1 毫秒）cout <<"thread: " << number << " ticket: " << ticket << endl;  // 輸出當前線程編號和剩余票數ticket--;  // 票數減少}else  // 如果票數為 0，退出循環{break;}pthread_mutex_unlock(&lock);  // 解鎖，允許其他線程訪問 ticket 資源}}return nullptr;  // 返回空指針，結束線程
}int main()
{// 創建多個線程for(int i = 0; i < NUM; i++)  // 創建 NUM 個線程{pthread_t tid;  // 定義線程 IDpthread_create(&tid, nullptr, mythread, (void*)i);  // 創建線程并傳遞參數（線程編號）}sleep(5);  // 主線程休眠 5 秒，確保所有線程執行一段時間cout <<"process quit ..." <<endl;  // 輸出退出信息，表示主進程結束return 0;  // 返回 0，程序結束
}

代碼詳細注釋解析：

  1. 全局變量：

    • pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;：定義了一個全局互斥鎖，初始化時就已經可用。這個鎖是為了防止多個線程同時訪問和修改 ticket 變量導致的并發問題。
    • #define NUM 10：定義了一個宏 NUM，表示需要創建的線程數量（此處為 10）。
    • int ticket = 1000;：全局變量 ticket 表示剩余票數，初始值為 1000。

  2. 線程函數 mythread：

    • pthread_detach(pthread_self());：將當前線程設置為分離線程，這樣線程結束時系統會自動回收資源，無需顯式調用 pthread_join 來等待線程結束。

    • uint64_t number = (uint64_t)args;：將傳遞給線程函數的參數（線程編號）轉換為 uint64_t 類型，以便進行打印。

    • 在 while(true)循環中，線程將不斷檢查 ticket

      是否大于 0：

      • 使用 pthread_mutex_lock(&lock); 上鎖，防止多個線程同時修改 ticket 變量，保證每次只有一個線程能訪問和修改票數。
      • 如果 ticket > 0，則輸出當前線程的編號和剩余票數，并將票數減 1。每次操作后調用 usleep(1000); 來模擬工作延時。
      • 如果 ticket 為 0，跳出循環。
      • 最后，通過 pthread_mutex_unlock(&lock); 解鎖，允許其他線程訪問共享資源。

  3. 主函數 main：

    • for 循環中，創建了 10 個線程，每個線程都會執行 mythread 函數。線程編號（i）被傳遞到每個線程中，作為其唯一標識。
    • sleep(5);：主線程休眠 5 秒，以確保創建的 10 個子線程有足夠的時間執行完畢。
    • cout <<"process quit ..." <<endl;：輸出程序退出信息，表示主程序結束。

打印：

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互斥鎖封裝（RAII）

class mutex
{
public:
private:pthread_mutex_t * _mutex;  // 互斥鎖指針public:mutex(pthread_mutex_t* mutex):_mutex(mutex)  // 構造函數，初始化互斥鎖指針{//pthread_mutex_init(_mutex,nullptr);  // 互斥鎖的初始化被注釋掉了}void lock(){pthread_mutex_lock(_mutex);  // 鎖定互斥鎖}void unlock(){pthread_mutex_unlock(_mutex);  // 解鎖互斥鎖}~mutex() {}  // 析構函數，什么都不做
};class Guard
{
private:mutex _lock;  // 使用上面定義的 mutex 類來管理鎖public:Guard(pthread_mutex_t* lock):_lock(lock)  // 構造函數中鎖定互斥鎖{_lock.lock();  // 自動鎖定}~Guard()  // 析構函數中解鎖{_lock.unlock();  // 自動解鎖}
};

這段代碼的設計實現了一個典型的 RAII（資源獲取即初始化） 模式，尤其是在 Guard 類中得到了完美的體現。RAII 是 C++ 中管理資源（如內存、文件句柄、互斥鎖等）的一種設計模式。在該模式下，資源在對象的構造函數中獲取，在對象的析構函數中釋放，這樣可以確保即使發生異常，也能正確釋放資源，避免資源泄漏和死鎖。

// 構造函數中鎖定互斥鎖
{
_lock.lock(); // 自動鎖定
}

~Guard()  // 析構函數中解鎖
{_lock.unlock();  // 自動解鎖
}

};


這段代碼的設計實現了一個典型的 **RAII（資源獲取即初始化）** 模式，尤其是在 `Guard` 類中得到了完美的體現。RAII 是 C++ 中管理資源（如內存、文件句柄、互斥鎖等）的一種設計模式。在該模式下，資源在對象的構造函數中獲取，在對象的析構函數中釋放，這樣可以確保即使發生異常，也能正確釋放資源，避免資源泄漏和死鎖。

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