多线程5——线程同步 多线程同步的方法有几种

线程同步（同，协同、协助、互相配合的意思），可以理解为线程A和B一块配合，A执行到一定程度时要依靠B的结果，于是A停下来，B执行；B执行后将结果告知A，A再继续执行。

在并发情况下，指令执行的先后顺序由内核决定。同一个线程内部，指令按照先后顺序执行，但不同线程之间的指令很难说清楚是哪一个先执行。如果运行的结果依赖于多线程执行的顺序，那么就会形成竞争条件，每次运行的结果可能会不同，所以应该尽量避免竞争条件的形成。

线程同步的常见方法：互斥锁，读写锁，条件变量，信号量。

（1）不加锁

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

// 剩余票数100张
int tickets = 100;

void *selltickets(void *arg)
{
    while (tickets > 0)
    {
        // printf("%ld 正在卖第%d张门票\n", pthread_self(), tickets);
        tickets--;
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    // 启动3个窗口（线程），同时售票
    // 观察多线程并发操作临界资源时，
    // 会不会出现余票为负数的情况？
    pthread_t t1, t2, t3;
    pthread_create(&t1, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, selltickets, NULL);

    // 阻塞主线程，等待子线程结束
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);

    printf("余票： %d\n", tickets);

    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}
编译并运行程序
baohua@node1:~$ gcc threadsync.c -lpthread -o main
baohua@node1:~$ ./main
余票： -2

注意：程序运行结果不唯一！！！

结论：观察到多线程并发操作全局变量（临界资源）时，出现多卖的问题。

（2）互斥锁

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

// 声明一个互斥锁
pthread_mutex_t mutex;
// 剩余票数100张
int tickets = 100;

void *selltickets(void *arg)
{
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        if (tickets > 0)
        {
            printf("线程id：%ld 正在卖第%d张门票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        } else {
            // 这里要先解锁，再跳出循环！！！
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }

        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        // 让线程竞争临界资源，表现的更明显一点
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    // 初始化互斥锁
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 启动3个窗口（线程），同时售票
    // 观察多线程并发操作临界资源时，
    // 会不会出现余票为负数的情况？
    pthread_t t1, t2, t3;
    pthread_create(&t1, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&t3, NULL, selltickets, NULL);

    // 阻塞主线程，等待子线程结束
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);

    printf("余票： %d\n", tickets);

    // 注销互斥锁
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

编译并运行程序
baohua@node1:~$ gcc threadsync.c -lpthread -o main
baohua@node1:~$ ./main
线程id：140218611173120 正在卖第100张门票
线程id：140218602780416 正在卖第99张门票
线程id：140218594387712 正在卖第98张门票
......出于篇幅考虑，中间省略若干行........
线程id：140218594387712 正在卖第3张门票
线程id：140218602780416 正在卖第2张门票
线程id：140218611173120 正在卖第1张门票
余票： 0

（3）读写锁

线程对共享资源的访问分为两类：读操作和写操作。

多线程并发下，写操作不安全，但读操作是安全的。因此，在读多写少的场景下，出于提高性能的目的，应允许多个线程同一时刻读取同一数据，但是互斥锁不满足这种情况，由此引申出了另一种锁机制——读写锁。

读写锁特点：

• 有线程在读取数据时，允许其他线程执行读操作，但不允许执行写操作
• 有线程在写数据时，不允许其他线程执行写操作和读操作
• 写操作是独占的，优先级高

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

int num = 1;             //定义全局变量
pthread_rwlock_t rwlock; //创建读写锁

void *writenum(void *arg)
{
    while (1)
    {
        //加写锁
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock); 
        num++;
        printf("num++ ,tid: %ld,num:%d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        sleep(1);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

void *readnum(void *arg)
{
    while (1)
    {
        //加读锁
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock); 
        printf("==read ,tid: %ld,num:%d\n", pthread_self(), num);
        sleep(1);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(10);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    //初始化读写锁
    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    //存放3个写线程号
    pthread_t wtids[3];
    //存放5个读线程号
    pthread_t rtids[5];

    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        //创建写的线程
        pthread_create(&wtids[i], NULL, writenum, NULL);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        //创建读的线程
        pthread_create(&rtids[i], NULL, readnum, NULL);
    }

    for (int i = 0; i < 3; i++)
    {
        pthread_join(wtids[i], NULL);
    }

    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_join(rtids[i], NULL);
    }

    //释放读写锁
    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}

（4）条件变量

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

int i = 0;

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t condvar = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *threadfunc(void *pvoid)
{
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        if (i < 200)
        {
            i++;
            pthread_cond_signal(&condvar);    /**< 子线程唤醒主线程 */
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }
    }

    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, &threadfunc, NULL);

    pthread_mutex_lock(&mutex);

    while (i < 100)
    {
        pthread_cond_wait(&condvar, &mutex);
    }

    printf("i = %d\n", i);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_join(tid, NULL);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    pthread_cond_destroy(&condvar);

    return 0;
}

子线程每次唤醒条件变量并释放互斥锁之后，将与主线程一同竞争互斥锁。也就是说，等待条件变量的线程在被唤醒时，并不自动获得互斥锁。

（5）信号量

信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问。

根据信号量的值来判断是否对公共资源具有访问权限，当信号量的值大于0时，可以访问，否则将阻塞。

信号量带有两个原子操作 P 和 V，一次 P 操作使信号量减1，一次 V 操作使信号量加 1。

#include <semaphore.h>
// 初始化信号量
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
        -sem：信号变量的地址
        -pshared：0-用在线程  非0-用在进程
        -value：信号量中的值

// 信号量 P 操作（减 1）
int sem_wait(sem_t *sem);

// 以非阻塞的方式来对信号量进行减 1 操作
int sem_trywait(sem_t *sem);

// 信号量 V 操作（加 1）
int sem_post(sem_t *sem);

// 获取信号量的值
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);

// 销毁信号量
int sem_destroy(sem_t *sem);

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

// 定义两个信号量
sem_t sem_g, sem_p;
char ch = 'a';

// 此线程改变字符ch的值
void *pthread_g(void *arg)
{
    while (1)
    {
        sem_wait(&sem_g);
        ch++;
        sem_post(&sem_p);

        if (ch > 'z')
        {
            break;
        }
    }

    pthread_exit(NULL);
}

// 此线程打印ch的值
void *pthread_p(void *arg)
{
    while (1)
    {
        sem_wait(&sem_p);

        if (ch > 'z')
        {
            break;
        }

        printf("%c", ch);
        fflush(stdout);

        sem_post(&sem_g);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

/**
 * 输出26个小写字母
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t tid1, tid2;
    // 初始化信号量为0
    sem_init(&sem_g, 0, 0);
    // 初始化信号量为1
    sem_init(&sem_p, 0, 1);

    pthread_create(&tid1, NULL, pthread_g, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, pthread_p, NULL);

    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    sem_destroy(&sem_g);
    sem_destroy(&sem_p);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}