Linux -- 从抢票逻辑理解线程互斥

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抢票逻辑代码：

thread.hpp

thread.cc

运行结果：

为什么票会抢为负数？

概念前言

临界资源

临界区

原子性

 数据不一致

为什么数据不一致？

互斥

概念 

pthread_mutex_init（初始化互斥锁）

pthread_mutex_lock（申请互斥锁）

pthread_mutex_unlock（释放互斥锁）

pthread_mutex_destory（销毁互斥锁）

全局的互斥锁

thread.cc 代码

局部的互斥锁

thread.cc 代码

抢票逻辑代码：

thread.hpp

#ifndef __THREAD_HPP__
#define __THREAD_HPP__
#include<vector>
#include<iostream>
#include<string>
#include<functional>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>namespace ThreadModule
{//给 函数参数为T（T为任意类型）的引用，返回值为 void 的函数 重命名为func_ttemplate<typename T>using func_t=std::function<void(T&)>;template<typename T>class Thread{public://线程的任务void Excute(){_func(_data);}public://构造函数Thread(func_t<T> func, T &data,const std::string &name="none-name"):_func(func),_data(data),_threadname(name),_stop(true){  }//如果没有static，由于 this 指针，函数的参数有2个，而pthread_create要求函数参数只能有void*//加上static，则要求函数不能访问类内的非静态成员变量，也就避免了this指针作为函数参数        static void* threadroute(void* args){//参数从void* 类型转为Thread<T> *类型，static_cast是一种相对安全的类型转换方式Thread<T> *self=static_cast<Thread<T> *>(args);//由于没有了this指针，所以需要封装Excute函数来传递 _data参数，从而执行任务self->Excute();return nullptr;}//开始执行任务bool Start(){//创建线程int n=pthread_create(&_tid,nullptr,threadroute,this);if(!n){              _stop=false;//修改状态return true;}else{return false;}}void Detach(){//有线程启动了才分离线程if(!_stop)pthread_detach(_tid);}void Join(){if(!_stop)pthread_join(_tid,nullptr);}std::string name(){return _threadname;}void Stop(){_stop=true;}//析构函数~Thread(){  }private:std::string _threadname;//线程名bool _stop;//该线程是否启动，true表示未启动，false表示已启动pthread_t _tid;T &_data;func_t<T> _func;//线程调用的函数};
}
#endif

thread.cc

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
using namespace std;
#include"thread.hpp"
using namespace ThreadModule;int g_tickets=10000;//共享资源，未保护
const int num=4;void route(int &tickets)
{//票没抢完就一直抢while(true){if(tickets>0)//还有票，可以继续抢{usleep(1000);//目前抢到的票printf("get tickets:%d\n",tickets);tickets--;}else//已经没票了，不能抢了，退出{break;}}
}int main()
{std::vector<Thread<int>> threads;//创建线程for(int i=0;i<num;i++){std::string name="thread-"+std::to_string(i+1);threads.emplace_back(route,g_tickets,name);}//启动线程for(auto &threads:threads){threads.Start();}//等待线程for(auto &threads:threads){threads.Join();std::cout<<"wait thread done, thread is: "<<threads.name()<<std::endl;}//return 0;
}

运行结果：

发现票数被减为了负数，且有的票被重复抢了，每次运行的结果都不一样。

 

为什么票会抢为负数？

概念前言

临界资源

多线程执行流共享的资源称为临界资源。

临界区

每个线程内部，访问了临界资源的代码称为临界区。

原子性

不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。

 数据不一致

在多线程或分布式系统中，由于并发操作或其他因素导致的数据状态不符合预期的情况。当多个线程或进程同时访问和修改共享资源时，如果没有适当的同步机制，可能会出现数据不一致的问题。这可能导致系统的不稳定、错误的结果或难以调试的行为。例如，上述的运行结果中出现了剩余的票数为负数的情况，而剩余的票数不应该出现负数，数据状态不符合预期，即数据不一致。

为什么数据不一致？

我们可以来模拟一下代码的整个运行过程。

在代码中，我们创建了4个线程，每个线程都要执行以下代码，函数内中一共有 3 个地方访问了临界资源，标为1、2、3：

void route(int &tickets)
{//票没抢完就一直抢while(true){//还有票，可以继续抢if(tickets>0)//1{usleep(1000);//目前剩下的票数printf("get tickets:%d\n",tickets);//2tickets--;//3}else//已经没票了，不能抢了，退出{break;}}
}

假设现在只剩一张票了，即 g_tickets = 1：

假设现在执行的是线程 1，线程 1 进行 tickets>0 的判断，这个判断过程是由 CPU 来完成的。

系统把 g_tickets 的值从内存读到 CPU 的寄存器 ebx 中，判断结果为真，线程 1 开始执行 if 的代码块，还没执行到打印操作，线程 1 被挂起并切走了，切走时线程 1 带走了寄存器的上下文数据，g_tickets 还是 1，还没有写回到内存中！

此时轮到线程 2 执行函数了，线程 2 也进行了 tickets>0 的判断，由于 g_tickets 的值依旧为 1，和线程 1 的过程一样，所以线程 2 也执行 if 的代码块， 线程 2 也还没有执行到打印操作，就被挂起并切走了。线程 3 同理。

再次轮到线程 1 时，由于已经进行过 if 判断了，线程 1 直接执行打印操作，对 tickets -- 并把 tickets 的值写回到内存中，g_tickets 的值变为 0。 这里我们需要了解到，tickets-- 看似只有一句代码，其实要分为三个过程来执行：

  1. 把 tickets 从内存中读到 CPU 中；
  2. CPU 进行 -- 操作；
  3. 把 tickets 的值写回内存中。

再次轮到线程 2，因为线程 2 已经进行过 if 判断了，线程 2 以为 tickets 还是1，也直接执行打印操作，把 tickets-- 并写回到内存中，但线程 2 在进行 tickets -- 操作时，读到的 tickets 已经是 0 了，-- 操作后，tickets 变为 -1，内存中的 g_tickets 的值变为 -1.

线程 3 也是同理，-- 后 tickets 变为 -2，写回到内存后，内存中的 g_tickets 的值变为 -2.

就这样 g_tickets 的值被减到了负数！

也就是说，多线程访问共享资源 g_tickets 时，由于共享资源 g_tickets 未被保护，且 -- 操作不是原子的，在执行任何一个步骤时线程都可能被切换，导致产生了计算过程的中间状态！

互斥

由于多个执行流访问全局数据的代码，所以会发生上面的问题，多个线程共享的全局数据就是临界资源，访问了全局数据的代码其实就是临界区，换句话说，保护临界区，就可以保护临界资源，就可以解决上面数据不一致的问题。

概念 

任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，对临界资源起保护作用。

pthread_mutex_init（初始化互斥锁）

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

初始化一个互斥锁。 

mutex：指向要初始化的互斥锁对象的指针。

attr：指向互斥锁属性对象的指针，可以为NULL以使用默认属性。

pthread_mutex_lock（申请互斥锁）

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

尝试获取互斥锁。如果锁已经被其他线程持有，则当前线程将被阻塞，直到锁可用。

mutex：指向要锁定的互斥锁对象的指针。

pthread_mutex_unlock（释放互斥锁）

#include <pthread.h>int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

释放一个互斥锁，允许其他等待的线程获取该锁。

mutex：指向要解锁的互斥锁对象的指针。

pthread_mutex_destory（销毁互斥锁）

#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

销毁一个互斥锁，释放相关资源。 

mutex：指向要销毁的互斥锁对象的指针。

加锁

注意加锁应该精细，只需要在临界区加锁，非临界区不需要加锁！ 加锁成功后，只有申请到互斥锁的线程才可以访问临界区，其他线程阻塞等待，直到锁释放后，其他线程成功竞争到互斥锁，才可以访问临界区！

全局的互斥锁

如果互斥锁是全局的，或者静态的，则不需要 init 和 destory。

thread.cc 代码

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
using namespace std;
#include"thread.hpp"
using namespace ThreadModule;int g_tickets=10000;//共享资源，未保护
const int num=4;//一把全局的锁
pthread_mutex_t gmutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void route(int &tickets)
{//票没抢完就一直抢while(true){pthread_mutex_lock(&gmutex);//申请锁//还有票，可以继续抢if(tickets>0)//1{usleep(1);//目前剩下的票数printf("get tickets:%d\n",tickets);//2tickets--;//3pthread_mutex_unlock(&gmutex);//释放锁}else//已经没票了，不能抢了，退出{pthread_mutex_unlock(&gmutex);//释放锁break;}}
}int main()
{std::vector<Thread<int>> threads;//创建线程for(int i=0;i<num;i++){std::string name="thread-"+std::to_string(i+1);threads.emplace_back(route,g_tickets,name);}//启动线程for(auto &threads:threads){threads.Start();}//等待线程for(auto &threads:threads){threads.Join();std::cout<<"wait thread done, thread is: "<<threads.name()<<std::endl;}//return 0;
}

不再出现抢到负数的票和抢到重复的票的情况了，且每次运行结果都一样：

局部的互斥锁

thread.cc 代码

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<mutex>
using namespace std;
#include"thread.hpp"
using namespace ThreadModule;int g_tickets=10000;//共享资源，未保护
const int num=4;//因为锁变成局部的，为了让route可以访问互斥锁，且统计每个线程抢到了多少张票，定义一个类
class ThreadData
{
public:ThreadData(int &tickets,std::string name,pthread_mutex_t &mutex):_tickets(tickets),_name(name),_mutex(mutex),_total(0){ }~ThreadData(){   }
public:int &_tickets;//所有线程最终都会引用同一个全局变量g_ticketsstd::string _name;int _total;pthread_mutex_t &_mutex;
};void route(ThreadData *td)
{//票没抢完就一直抢while(true){pthread_mutex_lock(&td->_mutex);//申请锁//还有票，可以继续抢if(td->_tickets>0)//1{usleep(1);//目前剩下的票数printf("%s running, get tickets:%d\n",td->_name.c_str(),td->_tickets);//2td->_tickets--;//3td->_total++;pthread_mutex_unlock(&td->_mutex);//释放锁}else//已经没票了，不能抢了，退出{pthread_mutex_unlock(&td->_mutex);//释放锁break;}}
}int main()
{//一把局部的锁pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);//初始化互斥锁std::vector<Thread<ThreadData*>> threads;std::vector<ThreadData*> datas;//创建线程for(int i=0;i<num;i++){std::string name="thread-"+std::to_string(i+1);ThreadData* td = new ThreadData(g_tickets,name,mutex);threads.emplace_back(route,td,name);datas.emplace_back(td);}//启动线程for(auto &threads:threads){threads.Start();}//等待线程for(auto &threads:threads){threads.Join();//std::cout<<"wait thread done, thread is: "<<threads.name()<<std::endl;}for(auto data:datas){std::cout<<data->_name<<" : "<<data->_total<<std::endl;delete data;}pthread_mutex_unlock(&mutex);//return 0;
}

封装成类

LockGuard.hpp 代码

#ifndef __LOCK_GUARD_HPP__
#define __LOCK_GUARD_HPP__
#include<pthread.h>
#include<iostream>
class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t *mutex):_mutex(mutex){pthread_mutex_lock(_mutex);//加锁}~LockGuard(){pthread_mutex_unlock(_mutex);//解锁}
private:pthread_mutex_t *_mutex;
};#endif

thread.cc 代码

#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<string>
#include<vector>
#include<mutex>
using namespace std;
#include"thread.hpp"
#include"LockGuard.hpp"
using namespace ThreadModule;int g_tickets=10000;//共享资源，未保护
const int num=4;//因为锁变成局部的，为了让route可以访问互斥锁，且统计每个线程抢到了多少张票，定义一个类
class ThreadData
{
public:ThreadData(int &tickets,std::string name,pthread_mutex_t &mutex):_tickets(tickets),_name(name),_mutex(mutex),_total(0){ }~ThreadData(){   }
public:int &_tickets;//所有线程最终都会引用同一个全局变量g_ticketsstd::string _name;int _total;pthread_mutex_t &_mutex;
};void route(ThreadData *td)
{//票没抢完就一直抢while(true){LockGuard guard(&td->_mutex);//临时对象//还有票，可以继续抢if(td->_tickets>0)//1{usleep(1);//目前剩下的票数printf("%s running, get tickets:%d\n",td->_name.c_str(),td->_tickets);//2td->_tickets--;//3td->_total++;}else//已经没票了，不能抢了，退出{break;}}
}int main()
{//一把局部的锁pthread_mutex_t mutex;pthread_mutex_init(&mutex,nullptr);//初始化互斥锁std::vector<Thread<ThreadData*>> threads;std::vector<ThreadData*> datas;//创建线程for(int i=0;i<num;i++){std::string name="thread-"+std::to_string(i+1);ThreadData* td = new ThreadData(g_tickets,name,mutex);threads.emplace_back(route,td,name);datas.emplace_back(td);}//启动线程for(auto &threads:threads){threads.Start();}//等待线程for(auto &threads:threads){threads.Join();//std::cout<<"wait thread done, thread is: "<<threads.name()<<std::endl;}for(auto data:datas){std::cout<<data->_name<<" : "<<data->_total<<std::endl;delete data;}pthread_mutex_unlock(&mutex);//return 0;
}

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