【Linux系统化学习】死锁 | 线程同步

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目录

死锁

死锁的必要条件

避免死锁

线程同步

条件变量

同步概念和竞态条件

条件变量接口

创建和初始化条件变量

等待条件满足

唤醒等待

 毁条件变量

为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?

条件变量使用规范

等待条件代码

给条件发送信号代码

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死锁

死锁是指在一组线程中的各个线程均占有不会释放的资源，但因互相申请被其他线程所站用不会释放的资源而处于的一种永久等待状态。（编码疏忽造成的问题）

简单的例子

void *route(void *arg)
{
    char *id = (char *)arg;
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            //再次申请锁
            pthread_mutex_lock(&mutex);
        }
        else
        {
            //再次申请锁
            pthread_mutex_lock(&mutex);
            break;
        }
    }
}

以上篇文章的抢票代码为例：进程中只含有一个锁，当一个执行流进入临界区时申请加锁，因为只有一个锁且没有被使用所以会加锁成功，在出临界区的时候，又申请加锁，此时唯一的锁已经被申请了，会申请加锁失败，就会被挂起，造成永久等待即死锁。

死锁的必要条件

互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用（使用锁）
请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放（加锁后不解锁）
不剥夺条件:一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺（加锁后不可以被强制解锁）
循环等待条件:若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系（多执行流多把锁相互申请）

避免死锁

• 破坏死锁的四个必要条件
• 加锁顺序一致
• 避免锁未释放的场景
• 资源一次性分配

第一个条件就是对上面四个条件中的一个或多个条件破坏掉即可。 死锁的产生是因为在代码过程中使用了锁，那我们在编写程序的时非必要条件下可以不使用锁。

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线程同步

在上篇文章线程互斥中的我们提到了一个问题：如果一个线程对锁的竞争能力比较强的话，会一直抢夺公共资源；导致其他线程拿不到这个资源也就是线程饥饿。我们可以在一个线程申请加锁获取到公共资源后解锁，再将其纳入到一个类似队列结构的队尾即可解决这个问题也就是线程同步。

条件变量

当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。
例如：一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。（一个线程向另一个线程通知消息的方式）

例子：张三在一张桌子上放苹果，李四蒙着眼睛拿桌子上的苹果，桌子含有一个只能服务一个人管理员；当桌子没有苹果的时候，李四会轮询访问管理员有没有苹果，这样即成管理员的资源浪费有没办法让张三放苹果；于是管理员想到一个办法，在桌子上安装一个铃铛；当没有苹果且李四过来拿苹果的时候，管理员会让李四在一旁阻塞等待；当张三放在桌子上的苹果到达一定数量时，管理员会按一下这个铃铛，李四才会拿苹果。这个例子中的铃铛就是一个条件变量

同步概念和竞态条件

• 同步：在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步
• 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

条件变量接口

创建和初始化条件变量

pthread_cond_t cond;//定义变量后再初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);

参数

cond：要初始化的条件变量
attr：NULL

等待条件满足

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

参数

cond：要在这个条件变量上等待
mutex：互斥量

唤醒等待

//唤醒所有线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
//唤醒单个线程
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

 毁条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

简单样例

#include<iostream>
#include<string>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
using namespace std;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* threadRoutine(void* args)
{
    string name = static_cast<const char*> (args);
    while(true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
        
        cout<<"I am a new thread : "<<name<<endl;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }   
}
int main()
{
    pthread_t t1,t2,t3;
    pthread_create(&t1,nullptr,threadRoutine,(void * )"thread_1");
    pthread_create(&t2,nullptr,threadRoutine,(void * )"thread_2");
    pthread_create(&t3,nullptr,threadRoutine,(void * )"thread_3");
    sleep(3);
    while(true)
    {
        pthread_cond_signal(&cond);
        sleep(1);
    }
    pthread_join(t1,nullptr);
    pthread_join(t2,nullptr);
    pthread_join(t3,nullptr);
    return 0;
}

 注：

• 线程在进行等待的时候，会自动释放锁
• 线程被唤醒的时候，实在临界区内，当线程被唤醒时在pthread_cond_wait返回的时候，要重新申请并持有锁
• 当线程被唤醒的时候，会重新申请并持有锁本质也是要参与锁的竞争的

为什么 pthread_cond_wait 需要互斥量?

• 条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足，所以必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程。
• 条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据。
• 按照上面的说法，我们设计出如下的代码：先上锁，发现条件不满足，解锁，然后等待在条件变量上不就行了，如下代码:

// 错误的设计
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false) {
pthread_mutex_unlock(&mutex);
//解锁之后，等待之前，条件可能已经满足，信号已经发出，但是该信号可能被错过
pthread_cond_wait(&cond);
pthread_mutex_lock(&mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 由于解锁和等待不是原子操作。调用解锁之后， pthread_cond_wait 之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，摒弃条件满足，发送了信号，那么 pthread_cond_wait 将错过这个信号，可能会导致线程永远阻塞在这个 pthread_cond_wait 。所以解锁和等待必须是一个原子操作。
• int pthread_cond_wait(pthread_cond_ t *cond,pthread_mutex_ t * mutex); 进入该函数后，会去看条件量等于0不？等于，就把互斥量变成1，直到cond_ wait返回，把条件量改成1，把互斥量恢复成原样

条件变量使用规范

等待条件代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）
pthread_cond_wait(cond, mutex);
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);

给条件发送信号代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

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今天对Linux下线程同步和死锁锁的分享到这就结束了，希望大家读完后有很大的收获，也可以在评论区点评文章中的内容和分享自己的看法；个人主页还有很多精彩的内容。您三连的支持就是我前进的动力，感谢大家的支持！！! 

文章来源:https://blog.csdn.net/qq_55119554/article/details/138120861
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