【lesson55】线程同步

线程同步

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

例一：我们之前的抢票代码，一个线程把票全抢完了，它错了吗？没错！但是不合理。

例二：我们要去华为店里买华为Mate40，
第一天去华为专卖店，我们问店员有没有货，店员说没有，我们立马就转身离开。
第二天再去我们问店员有没有货，店员说没有，我们再次转身离开。
就这样连续去30天左右，店里终于有货了，我们买了就走。
上面这样有错吗？没错，但是不合理。

1.例子一频繁的申请到资源
2.例子二太过于浪费我自己和对方的资源（时间）
例子一和二都没有错但是不合理。

例子一造成别人的饥饿问题。

而线程同步主要就是为了解决，访问临界资源合理性的问题。
故事：
学校有一间自习室，每天早上8:00~晚上21:00开放，但是这间自习室只允许一个人进入，墙上有一把钥匙，钥匙需要大家抢夺，谁抢到钥匙谁就拥有自习室。

小明某一天早早的来到了自习室，拿了墙上的钥匙，就打开门，然后关上门把门反锁，再把钥匙放在兜里。
自习了几个小时小明准备去趟厕所，打开门发现人有点多，就把门反锁了然后把钥匙一起带走，上完厕所就再回来，自习室就还是属于自己的。
晚上要吃晚饭了，小明准备回去，一打开门发现门口人乌泱泱的，小明立马反悔，觉得还是再学一会吧。
又学了一会小明觉得该回去了，再次打开门，然后把钥匙挂墙上，可是刚挂上去小明又后悔了，而又因为小明里钥匙最近所以他又抢到了钥匙，然后回去再学了一会。

听完上面故事大家觉得合理吗？不合理，小明凭什么一直能抢到钥匙。
有人举报了小明，所以自习室管理员引入规则：
1.自习室外面的人必须排好队，不能乌泱泱的一群人挤在一起
2.人从自习室出来以后不能立马再次申请锁，得必须排到队伍的末尾。

按照一定顺序，进行临界资源的访问我们称之为线程同步。

如何保证顺序性？
条件变量
我们之前申请临界资源前---->都需要做临界资源是否存在的检测---->而检测的本质：也是访问临界资源！---->所以我们之前临界资源的检测也在加锁和解锁之间---->常规方式要检测条件就绪，注定了我们必须频繁申请和释放锁---->有没有办法让我们的线程检测到资源不就绪的时候。
1.不要让线程在频繁的自己检测了，我们等待资源就绪
2.当条件就绪的时候，通知对应的线程，让他来进行资源申请和访问！

之前买华为手机的例子，当店里没有货的时候，我们留下店员的联系方式或者留下自己的联系方式，让店员有货了在通知自己过去买手机。

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。

没加条件变量前的代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>#define TNUM 4typedef void (*func)(std::string name);struct ThreadData
{
public:ThreadData(std::string name, func func): _name(name),_func(func){}public:std::string _name;func _func;
};void fun1(std::string name)
{while (true){std::cout << name << " running ------- a" << std::endl;sleep(1);}
}void fun2(std::string name)
{while (true){std::cout << name << " running ------- b" << std::endl;sleep(1);}
}void fun3(std::string name)
{while (true){std::cout << name << " running ------- c" << std::endl;sleep(1);}
}void fun4(std::string name)
{while (true){std::cout << name << " running ------- d" << std::endl;sleep(1);}
}void *Entry(void *args)
{ThreadData *td = (ThreadData *)args;td->_func(td->_name);delete td;
}int main()
{pthread_t tid[TNUM];func func[TNUM] = {fun1, fun2, fun3, fun4};for (int i = 0; i < TNUM; i++){std::string name = "Thread";name += std::to_string(i + 1);ThreadData *td = new ThreadData(name, func[i]);pthread_create(tid + i, nullptr, Entry, (void *)td);}for (int i = 0; i < TNUM; i++){pthread_join(tid[i], nullptr);}return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
我们看到线程是随机运行的，谁都有可能被CPU调度，那么我们如何让他顺序运行呢？
添加条件变量：
代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>#define TNUM 4typedef void (*func)(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond);struct ThreadData
{
public:ThreadData(std::string name, func func, pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond): _name(name),_func(func),_mtx(mtx),_cond(cond){}public:std::string _name;func _func;pthread_mutex_t *_mtx;pthread_cond_t *_cond;
};void fun1(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (true){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- a" << std::endl;//sleep(1);}
}void fun2(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (true){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- b" << std::endl;//sleep(1);}
}void fun3(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (true){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- c" << std::endl;//sleep(1);}
}void fun4(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (true){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- d" << std::endl;//sleep(1);}
}void *Entry(void *args)
{ThreadData *td = (ThreadData *)args;td->_func(td->_name,td->_mtx,td->_cond);delete td;return nullptr;
}int main()
{pthread_mutex_t mtx;pthread_cond_t cond;pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);pthread_cond_init(&cond, nullptr);pthread_t tid[TNUM];func func[TNUM] = {fun1, fun2, fun3, fun4};for (int i = 0; i < TNUM; i++){std::string name = "Thread";name += std::to_string(i + 1);ThreadData *td = new ThreadData(name, func[i], &mtx, &cond);pthread_create(tid + i, nullptr, Entry, (void *)td);}while(true){std::cout << "Wake up thread run code ......." << std::endl;pthread_cond_signal(&cond);sleep(1);}for (int i = 0; i < TNUM; i++){pthread_join(tid[i], nullptr);}pthread_mutex_destroy(&mtx);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
我们看到线程变的井然有序，一个一个的执行。
在这里插入图片描述
pthread_cond_signal是一个一个的唤醒线程，我们还可以用pthread_cond_broadcast一批一批的唤醒。
修改代码片段
在这里插入图片描述
运行代码：
在这里插入图片描述
如果我们想让线程运行10次就退出，那么代码该如何更改呢？
我们在全局定义一个bool类型的quit。然后每个线程用quit判断退出条件即可。
代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>#define TNUM 4bool quit = false;typedef void (*func)(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond);struct ThreadData
{
public:ThreadData(std::string name, func func, pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond): _name(name),_func(func),_mtx(mtx),_cond(cond){}public:std::string _name;func _func;pthread_mutex_t *_mtx;pthread_cond_t *_cond;
};void fun1(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- a" << std::endl;//sleep(1);}
}void fun2(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- b" << std::endl;//sleep(1);}
}void fun3(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- c" << std::endl;//sleep(1);}
}void fun4(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- d" << std::endl;//sleep(1);}
}void *Entry(void *args)
{ThreadData *td = (ThreadData *)args;td->_func(td->_name,td->_mtx,td->_cond);delete td;return nullptr;
}int main()
{pthread_mutex_t mtx;pthread_cond_t cond;pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);pthread_cond_init(&cond, nullptr);pthread_t tid[TNUM];func func[TNUM] = {fun1, fun2, fun3, fun4};for (int i = 0; i < TNUM; i++){std::string name = "Thread";name += std::to_string(i + 1);ThreadData *td = new ThreadData(name, func[i], &mtx, &cond);pthread_create(tid + i, nullptr, Entry, (void *)td);}int cnt = 10;while(cnt){std::cout << std::endl;std::cout << "Wake up thread run code ......." <<  cnt-- << std::endl;//pthread_cond_signal(&cond);pthread_cond_broadcast(&cond);sleep(1);}quit = true;for (int i = 0; i < TNUM; i++){pthread_join(tid[i], nullptr);}pthread_mutex_destroy(&mtx);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
我们看到这最后卡住了是为什么呢？因为我们虽然是quit但是，所有线程还在条件变量上等待呢，而条件变量是在加锁和解锁之间的，我们虽然退出了但是锁并没有处理好。
所以我们在每个线程都要加上加锁解锁的逻辑。
代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>#define TNUM 4bool quit = false;typedef void (*func)(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond);struct ThreadData
{
public:ThreadData(std::string name, func func, pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond): _name(name),_func(func),_mtx(mtx),_cond(cond){}public:std::string _name;func _func;pthread_mutex_t *_mtx;pthread_cond_t *_cond;
};void fun1(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_mutex_lock(mtx);pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- a" << std::endl;pthread_mutex_unlock(mtx);//sleep(1);}
}void fun2(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_mutex_lock(mtx);pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- b" << std::endl;pthread_mutex_unlock(mtx);//sleep(1);}
}void fun3(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_mutex_lock(mtx);pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- c" << std::endl;pthread_mutex_unlock(mtx);//sleep(1);}
}void fun4(std::string name,pthread_mutex_t *mtx, pthread_cond_t *cond)
{while (!quit){pthread_mutex_lock(mtx);pthread_cond_wait(cond,mtx);std::cout << name << " running ------- d" << std::endl;pthread_mutex_unlock(mtx);//sleep(1);}
}void *Entry(void *args)
{ThreadData *td = (ThreadData *)args;td->_func(td->_name,td->_mtx,td->_cond);delete td;return nullptr;
}int main()
{pthread_mutex_t mtx;pthread_cond_t cond;pthread_mutex_init(&mtx, nullptr);pthread_cond_init(&cond, nullptr);pthread_t tid[TNUM];func func[TNUM] = {fun1, fun2, fun3, fun4};for (int i = 0; i < TNUM; i++){std::string name = "Thread";name += std::to_string(i + 1);ThreadData *td = new ThreadData(name, func[i], &mtx, &cond);pthread_create(tid + i, nullptr, Entry, (void *)td);}int cnt = 10;while(cnt){std::cout << std::endl;std::cout << "Wake up thread run code ......." <<  cnt-- << std::endl;//pthread_cond_signal(&cond);pthread_cond_broadcast(&cond);sleep(1);}quit = true;for (int i = 0; i < TNUM; i++){pthread_join(tid[i], nullptr);}pthread_mutex_destroy(&mtx);pthread_cond_destroy(&cond);return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
我们看到这最后卡住了是为什么呢？因为我们虽然是quit但是，所有线程还在条件变量上等待呢，所以我们需要在退出后再进行一次pthread_cond_broadcast（）；
在这里插入图片描述
运行结果：
在这里插入图片描述

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