先决条件： C语言中的多线程
线程同步 定义为一种机制，确保两个或多个并发进程或线程不会同时执行某些特定的程序段，称为临界段。进程对关键部分的访问是通过使用同步技术来控制的。当一个线程开始执行 临界截面 （程序的序列化段）另一个线程应该等到第一个线程完成。如果不采用适当的同步技术，可能会导致 竞赛条件 变量的值可能是不可预测的，并且取决于进程或线程的上下文切换的计时。
线程同步问题 研究同步问题的示例代码：
#include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> pthread_t tid[2]; int counter; void * trythis( void * arg) { unsigned long i = 0; counter += 1; printf ( " Job %d has started" , counter); for (i = 0; i < (0xFFFFFFFF); i++) ; printf ( " Job %d has finished" , counter); return NULL; } int main( void ) { int i = 0; int error; while (i < 2) { error = pthread_create(&(tid[i]), NULL, &trythis, NULL); if (error != 0) printf ( "Thread can't be created : [%s]" , strerror (error)); i++; } pthread_join(tid[0], NULL); pthread_join(tid[1], NULL); return 0; } |
如何编译上述程序？ 要使用gcc编译多线程程序，我们需要将其与pthreads库链接。以下是用于编译程序的命令。
gfg@ubuntu:~/$ gcc filename.c -lpthread
在本例中，创建了两个线程（作业），在这些线程的start函数中，维护了一个计数器，以获取关于作业编号的日志，该作业编号已启动，以及何时完成。
输出：
Job 1 has started Job 2 has started Job 2 has finished Job 2 has finished
问题： 从最后两个日志可以看出，日志 作业2已经完成 “在没有日志的情况下重复两次” 作业1已完成 “我看见了。
为什么会这样？ 通过仔细观察和可视化代码的执行，我们可以看到：
- 原木 工作2已经开始了 “刚刚打印出来” 工作1已经开始了 ‘因此很容易得出结论，当线程1正在处理时，调度程序调度了线程2。
- 如果我们假设上述假设成立，那么 柜台 ‘变量在作业1完成之前再次递增。
- 所以，当作业1实际完成时，计数器的错误值产生了日志 作业2已经完成 “然后是” 作业2已经完成 ‘用于实际作业2，反之亦然，因为它依赖于调度程序。
- 所以我们发现问题不在于重复日志，而在于“计数器”变量的错误值。
- 实际问题是，当第一个线程正在使用或即将使用变量“counter”时，第二个线程使用了该变量。
- 换句话说，我们可以说，在使用共享资源“计数器”时，线程之间缺乏同步导致了问题，或者一句话，我们可以说这个问题是由于两个线程之间的“同步问题”造成的。
如何解决？
实现线程同步最常用的方法是使用 互斥量 .
互斥
- 互斥锁是我们在使用共享资源之前设置的锁，在使用后释放。
- 设置锁后，其他线程无法访问代码的锁定区域。
- 所以我们看到，即使线程2被调度，而线程1没有访问共享资源，并且代码被线程1使用互斥锁锁定，那么线程2甚至无法访问该代码区域。
- 因此，这确保了代码中共享资源的同步访问。
互斥操作
- 假设一个线程使用互斥锁锁定了一个代码区域，并正在执行该代码段。
- 现在，如果调度器决定进行上下文切换，那么准备执行同一区域的所有其他线程都将被解锁。
- 所有线程中只有一个线程可以执行，但如果该线程尝试执行已锁定的同一代码区域，那么它将再次进入睡眠状态。
- 上下文切换将一次又一次地进行，但在释放代码上的互斥锁之前，任何线程都无法执行代码的锁定区域。
- 互斥锁将仅由锁定它的线程释放。
- 因此，这确保了一旦一个线程锁定了一段代码，那么其他线程就不能执行相同的区域，直到锁定它的线程解锁它。
因此，该系统在处理共享资源时确保线程之间的同步。
互斥锁被初始化，然后通过调用以下两个函数实现锁定： 第一个函数初始化互斥锁，通过第二个函数可以锁定代码中的任何关键区域。
- int pthread_mutex_init（pthread_mutex_t*restrict mutex，const pthread_mutextatr_t*restrict attr）： 创建一个由互斥体引用的互斥体，其属性由attr指定。如果attr为NULL，则使用默认的互斥属性（非递归）。
返回值 如果成功，pthread_mutex_init（）将返回0，互斥锁的状态将被初始化并解锁。 如果失败，pthread_mutex_init（）将返回-1。
- int pthread_mutex_lock（pthread_mutex_t*mutex）： 锁定一个互斥对象，该对象标识互斥对象。如果互斥锁已被另一个线程锁定，该线程将等待互斥锁可用。锁定互斥锁的线程将成为其当前所有者，并在同一线程解锁互斥锁之前一直保持所有者身份。当互斥锁具有递归属性时，锁的使用可能会有所不同。当这种互斥锁被同一个线程多次锁定时，计数就会增加，不会发布等待的线程。拥有线程的线程必须调用相同次数的pthread_mutex_unlock（），以将计数减为零。
返回值 如果成功，pthread_mutex_lock（）将返回0。 如果失败，pthread_mutex_lock（）将返回-1。
通过调用以下两个函数，可以解锁和销毁互斥锁： 第一个函数释放锁，第二个函数销毁锁，以便将来不能在任何地方使用。
- int pthread_mutex_unlock（pthread_mutex_t*mutex）： 释放互斥对象。如果一个或多个线程正在等待锁定互斥对象，pthread_mutex_unlock（）会导致其中一个线程从pthread_mutex_lock（）返回并获取互斥对象。如果没有线程在等待互斥锁，互斥锁将在没有当前所有者的情况下解锁。当互斥锁具有递归属性时，锁的使用可能会有所不同。当这种互斥锁被同一个线程多次锁定时，unlock将减少计数，并且不会发布等待线程继续使用锁运行。如果计数减为零，则释放互斥锁，如果有线程正在等待，则发布互斥锁。
返回值 如果成功，pthread_mutex_unlock（）将返回0。 如果失败，pthread_mutex_unlock（）将返回-1
- int pthread_mutex_destroy（pthread_mutex_t*mutex）： 删除标识互斥对象的互斥对象。互斥锁用于保护共享资源。互斥被设置为无效值，但可以使用pthread_mutex_init（）重新初始化。
返回值 如果成功，pthread_mutex_destroy（）将返回0。 如果失败，pthread_mutex_destroy（）将返回-1。
一个演示如何使用互斥锁进行线程同步的示例
#include <pthread.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <unistd.h> pthread_t tid[2]; int counter; pthread_mutex_t lock; void * trythis( void * arg) { pthread_mutex_lock(&lock); unsigned long i = 0; counter += 1; printf ( " Job %d has started" , counter); for (i = 0; i < (0xFFFFFFFF); i++) ; printf ( " Job %d has finished" , counter); pthread_mutex_unlock(&lock); return NULL; } int main( void ) { int i = 0; int error; if (pthread_mutex_init(&lock, NULL) != 0) { printf ( " mutex init has failed" ); return 1; } while (i < 2) { error = pthread_create(&(tid[i]), NULL, &trythis, NULL); if (error != 0) printf ( "Thread can't be created :[%s]" , strerror (error)); i++; } pthread_join(tid[0], NULL); pthread_join(tid[1], NULL); pthread_mutex_destroy(&lock); return 0; } |
在上述代码中：
- 互斥锁在主函数的开头初始化。
- 在使用共享资源“计数器”时，相同的互斥锁被锁定在“trythis（）”函数中。
- 在函数“trythis（）”的末尾，相同的互斥锁被解锁。
- 在主函数的末尾，当两个线程都完成时，互斥锁被销毁。
输出：
Job 1 started Job 1 finished Job 2 started Job 2 finished
因此，这一次两个作业的开始和完成日志都存在。所以线程同步是通过使用互斥来实现的。
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