【线程】封装 | 安全 | 互斥

线程封装（面向对象）

1.组件式的封装出一个线程类（像C++11线程库那样去管理线程）

• 我们并不想暴露出线程创建，终止，等待，分离，获取线程id等POSIX线程库的接口，我们也想像C++11那样通过面向对象的方式来玩，所以接下来我们将POSIX线程库的接口做一下封装，同样能实现像C++11线程库那样去管理我们的线程，这个类就像一个小组件似的，包含对应的.hpp文件就可以使用，使用起来很舒服。

//hpp文件
#pragma once
#include<iostream>
#include<pthread.h>
#include<string>
#include<functional>

using namespace std;

template<class T>
using fun_c = std::function<void(T)>;

template<class T>
class Thread
{
public:
    Thread(const string& threadname, fun_c<T> func, T data)
    :_threadname(threadname), _func(func), _data(data)
    {} 

    ~Thread()
    {
        ;
    }

    //线程执行的函数
    static void* ThreadRoutine(void* args)  //成员函数默认里面有一个this指针，而静态成员函数中没有
    {
        Thread* t = static_cast<Thread*>(args);
        t->_func(t->_data);
        return nullptr;
    }

    //线程创建-》running
    bool Start()
    {
        int n = pthread_create(&_tid, nullptr, ThreadRoutine, this/*?*/);
        if(n == 0) 
        {
            _isrunning = true;
            return true;
        }
        else return false;
    }

    bool Join()
    {
        if(!_isrunning) return true;
        int n = pthread_join(_tid, nullptr);
        if(n == 0)
        {
            _isrunning = false;
            return true;
        }
        return false;
    }

    std::string ThreadName()
    {
        return _threadname;
    }

    bool IsRunning()
    {
        return _isrunning;
    }

private:
    string _threadname;
    pthread_t _tid = 0;
    bool _isrunning = false;
    fun_c<T> _func;
    T _data;
};

//.cc文件
#include <iostream>
#include "mythread.hpp"
#include <cstdio>
#include<unistd.h>

string GetThreadName()
{
    static int num = 1;
    char buffer[64];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer), "thread-%d", num++);
    return buffer;
}

void Print(int number)
{
    while (number)
    {
        std::cout << "hello world: " << number-- <<  std::endl;
        sleep(1);
    }
}

int main()
{
    Thread<int> t(GetThreadName(), Print, 10);
    std::cout << "is thread running? " << t.IsRunning() << std::endl;
    t.Start(); 
    std::cout << "is thread running? " << t.IsRunning() << std::endl;
    t.Join();  //线程阻塞等待
    // Thread t(GetThreadName(), Print);
    // std::cout << "is thread running? " << t.IsRunning() << std::endl;

    // t.Start();

    // std::cout << "is thread running? " << t.IsRunning() << std::endl;

    // t.Join();  //线程阻塞等待
    return 0;
}

线程互斥

多线程访问共享资源是不安全的

假设现在有一份共享资源tickets，如果我们想让多个线程都对这个资源进行操作，也就是tickets- -的操作，但下面两份代码分别出现了不同的结果，上面代码并没有出现问题，而下面代码却出现了票为负数的情况，这是怎么回事呢？
其实问题产生就是由于多线程被调度器调度的特性导致的。

int ticket = 1000;  //票数
void route(string arg)
{
    while (1)
    {
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", arg.c_str(), ticket);
            ticket--;
        }
        else
        {
            break;
        }
    }
}

int main()
{
    Thread<string> t(GetThreadName(), route, GetThreadName());
    Thread<string> t2(GetThreadName(), route, GetThreadName());
    Thread<string> t3(GetThreadName(), route, GetThreadName());
    Thread<string> t4(GetThreadName(), route, GetThreadName());
    
    
    t.Start(); 
    t2.Start(); 
    t3.Start(); 
    t4.Start(); 

    t.Join(); 
    t2.Join(); 
    t3.Join(); 
    t4.Join(); 
    return 0;
}

• 了解上面的问题需要知道线程调度的特性，实际线程在被调度时它的上下文会被加载到CPU的寄存器中，而线程在被切换的时候，线程又会带着自己的上下文被切换下去，此时要进行线程的上下文保存，以便于下次该线程被切换上来的时候能够进行上下文数据的恢复。
  除此之外，像tickets- -这样的操作，对应的汇编指令其实至少有三条：1.读取数据 2.修改数据 3.写回数据，而线程函数我们知道会在每个线程的私有栈都存在一份，在上面的例子中多个线程执行同一份线程函数，所以这个线程函数就绝对会处于被重入的状态，也就绝对会被多个线程执行！今天我们假设只有一个CPU(CPU就是核心，处理器芯片会集成多个核心)在调度当前进程中的线程，那么线程是CPU调度的基本单位，所以也就会出现一个线程可能执行一半的时候被切换下去了，并且该线程的上下文被保存起来(线程在切换的时候，会将自己的上下文数据保存到线程的线程控制块TCB)，然后CPU又去调度进程中的另一个线程。

在知道上面的原理之后，还需要知道usleep的作用，当usleep放到if分支语句的第一行时，票数就出现了问题，出现了负数，主要是因为usleep可以将线程暂时阻塞，那么CPU就会把他切换下去，转而执行其他线程，但需要注意的是，如果被切换的线程重新调度上来时，还会从上次他执行后的语句继续向下运行。
所以会出现多个线程同时进入到分支判断语句，然后去阻塞等待的情况，假设tickets已经变成了1，然后其余的线程此时都被调度上来了，他们都开始执行tickets- -，- -之后不满足循环条件线程才会退出，那么如果我们创建出了4个线程，就会有3个线程在票数已经为0的情况下继续减减，所以就会出现票数为负数的情况。

提出解决方案：加锁（局部和静态锁的两种初始化/销毁方案）

那该如何解决上面的问题呢？多个执行流操作共享资源时，发生了数据不一致问题。
解决上面的问题实际要通过加锁来实现，但在谈论加锁的话题之前，我们需要来重新看待几个概念。

• 多个执行流总是能够共享许多资源，共享资源我们称为临界资源。
• 而多个执行流执行的函数体内部，对临界资源进行操作的代码称为临界区，需要注意的是临界区不是整个函数体内部的代码，而是指对共享资源进行操作的代码称为临界区。
• 如果我们想让多个执行流串行的访问临界资源，而不是并发或并行的访问临界资源，这样的线程调度方案就是互斥式的访问临界资源！（串行就是指只要一个线程开始执行这个任务，那么他就不能中断，必须得等这个线程执行完这个任务，你才能切换其他线程执行其他的任务，这个概念等会讲完锁之后大家就明白什么是互斥了）
• 当线程在执行一个对资源访问的操作时，要么做了这个操作，要么没有做这个操作，只要两种状态，不会出现做了一半这样的状态，我们称这样的操作是原子性的。
  

有了上面四组概念的铺垫之后，我们来谈谈如何对共享资源进行加锁和解锁？
首先锁实际就是一种数据类型，这个锁就像我们平常定义出来的变量或是对象一样，只不过这个锁的类型是系统给我们封装好的一种类型，进行重定义后为pthread_mutex_t。

变量或对象在定义的时候也是可以初始化的，变量初始化后，就是变量的定义，而不是声明了。变量和对象也都有自己的销毁方案，内置类型的变量或者对象销毁时，操作系统会自动回收其资源或者自动调用析构函数，而自定义对象销毁时，操作系统会调用其析构函数进行资源的回收。

锁同样也是如此，锁也有自己的初始化和销毁方案，如果你定义的是一把局部锁，就需要用pthread_mutex_init()和pthread_mutex_destroy()来进行初始化和销毁，如果你定义的是一把全局锁或静态所，则不需要用init初始化和destroy销毁，直接PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER进行初始化即可，它有自己的初始化和销毁方案，我们无须关心静态或全局锁如何销毁。

定义好锁之后，我们就可以对某一段代码进行加锁和解锁，加锁与解锁意味着，这段代码不是一般的代码，只有申请到锁，持有锁的线程才能访问这段代码，加锁和解锁之间的代码可以称为临界区，因为想要访问这段空间必须有锁才可以访问。pthread_mutex_lock实际就是申请锁的代码和临界区的入口，如果你申请锁成功了，那么你就可以进入临界区访问临界资源，如果你并没有申请成功，比如当前这把锁已经被别的线程申请到并持有了，其他线程正持有锁在临界区访问着呢，那么你就无法进入临界区，因为你并没有持有锁，必须得在pthread_mutex_lock阻塞等待，直到你申请到锁之后，你才能进入临界区访问临界资源，这样的线程访问实际就是互斥，指的是当一个线程正在持有锁访问临界区的时候，其他线程无法进入临界区，直到持有锁的线程释放锁之后才会有可能进入临界区，注意是有可能，因为当线程释放锁之后，这把锁还需要被竞争，哪个线程竞争到这把锁，哪个线程才能持有锁的访问临界资源！

上面谈论完锁的初始化和销毁，以及如何加锁和解锁之后，我们来利用锁解决上面出现的共享资源访问不安全的问题。你不是由于多线程再进行临界资源访问时，可能由于线程切换什么的，导致非原子性式的访问临界资源吗？那我不让你这么干，我对这段临界资源进行加锁，让你当前申请到锁正在访问临界资源的线程，必须给我以原子性的访问来访问临界资源，换句话说，你必须把访问临界资源的工作做完了，才可以，要么你不要访问临界资源，要么你访问了临界资源，就必须把临界资源全部访问完了，中间不能访问一半就不访问了！所以只要对临界资源进行加锁后，临界资源就变得安全了，因为无论什么线程想要访问临界资源，都必须以原子性的方式访问完，这样的话，就不会出现在访问一半的时候，线程被切换下去了，其他线程被切换上来继续访问临界资源了，而是说如果持有锁的线程被切换下去了，这个线程会抱着他申请到的锁被切换下去，此时其他线程如果被切换上来，想要访问临界资源，那也没用，因为你没有锁啊！持有锁的线程被切换时，是抱着锁被切换的，那你现在既然访问不了临界区，CPU无法继续执行代码，那就只能等持有锁的线程重新被切换上来时，才能继续开展临界资源的访问工作，这个工作必须且只能由申请到锁的线程来完成，其他任何线程都无法完成这个工作！反过来说，这不就是原子性吗？访问临界资源的工作只要被持有锁的线程开始做了，哪怕他在做的过程中被切换下去了，也无须担心，因为别的线程做不了这个工作，所以还是得等持有锁的线程被切换上来的时候才能继续做这个工作，那是不是这个工作只要开始做了，就一定会被做完呢？会不会出现做一半，停下来了不做了，让别的线程在去访问临界资源的情况呢？当然不会！这就是锁带来的作用。

如果在加锁之后运行代码，实际可以发现他抢票的速度是要比没加锁之前慢的，原因也很简单。我来给大家解释一下，没加锁之前，线程之间是可以并发或并行执行的，我先大概说一下并发和并行是什么，后面会详细介绍这两者的区别和概念，并发你可以简单理解为，当线程运行一半被切换下去的时候，此时CPU还可以调度运行其他线程，也就是说，如果多个线程在运行的时候，每个线程都会被CPU跑一跑，那在一段时间内，所有的线程都可以被执行到，并且推进每个线程的执行过程。而并行就是在多个核心上面同一时刻跑不同的线程，比如两个同时访问临界资源的线程，在未加锁的时候，可能出现多个核心同时执行两个线程的代码，同时在访问临界资源，但实际这种情况并不常见，因为我们写出来的代码优先级并没有那么高，所以基本上都是在按照并发执行的。
然后加锁前是并发执行的，也就是说在一个线程被切换下去的时候，其他- -tickets的线程还能够被重新调度上来进行票数的- -，那么总体上来说，票数就会被一直- -。
而加锁之后就不是并发执行的了，因为我们上面说过，加锁之后即使持有锁的线程被切换下去，其他被调度到CPU上的线程也是无法进行票数- -的，因为他们没有锁，所以在持有锁的线程被切换下去的这段时间里，票数不会改变，因为线程在串行的访问临界资源，什么是串行呢？就是一个线程访问完之后，才能轮到另一个线程，就是我们前面说的，一个线程在完成他的工作之后，释放完锁之后，其他线程才有可能竞争到锁，才有可能访问临界资源，这样就是串行。
串行的执行效率肯定要比并发执行的效率底嘛，因为当多线程在执行任务的时候，我们进行并发执行，为的就是当前线程如果被切换下去了，那也没啥事，因为其他被调度上来的线程依旧可以执行这个任务。你现在加锁之后就会变成串行执行了，那当前持有锁的线程被切换下去时，其他被调度上来的线程是无法继续执行任务的，效率自然就会底一些。（效率底一点就底一点吧，毕竟现在共享资源就安全了嘛，下面运行结果你也可以看到，没有锁的时候，票数就为负数了，这种情况用户怎么可能容忍。）

局部和全局锁的两种加锁方案的代码实现

如果定义局部锁的话，我们肯定是想要将这把锁传给每个线程的，让每个线程都用这把锁来互斥式的访问共享资源，以此来保证共享资源的安全性。

//pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;  //初始化一把全局的锁
int ticket = 1000;  //票数
void route(pthread_mutex_t* mutex)
{
    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(mutex);  //上锁
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("sells ticket:%d\n", ticket);
            ticket--;
            pthread_mutex_unlock(mutex);

        }
        else
        {
           pthread_mutex_unlock(mutex);
            break;
        }
    }
}

int main()
{
    pthread_mutex_t mutex;  
    pthread_mutex_init(&mutex, nullptr); //初始化一把局部的锁

    Thread<pthread_mutex_t*> t(GetThreadName(), route, &mutex);
    Thread<pthread_mutex_t*> t2(GetThreadName(), route, &mutex);
    Thread<pthread_mutex_t*> t3(GetThreadName(), route, &mutex);
    Thread<pthread_mutex_t*> t4(GetThreadName(), route, &mutex);
    
    t.Start(); 
    t2.Start(); 
    t3.Start(); 
    t4.Start(); 

    t.Join(); 
    t2.Join(); 
    t3.Join(); 
    t4.Join(); 
    pthread_mutex_destroy(&mutex); //释放锁
    return 0;
}

全局的锁定义并且初始化以后，每个线程都可以看得见，因此也是共享资源

如何看待锁

完成上面对于共享资源访问不安全问题的解决之后，我们来深入的理解一下锁。
我们知道，共享资源在被多线程访问时，是不安全的，所以我们需要加锁来保护共享资源。但是我们回过头来想一想，锁本身是不是共享资源呢？所有的线程都需要申请锁和释放锁，那不就是在共同的访问锁这个资源嘛？所以锁本身不就是共享资源吗？那多个线程在访问锁这个共享资源的时候，锁本身是不是需要被保护呢？当然需要！其他的共享资源可以通过加锁来进行保护，那锁怎么办呢？
实际上，加锁和解锁的过程是原子的！也就是说只要你申请了锁，并且竞争能力恰好足够，那么你就一定能够拿到这个锁，否则你就不会拿到这个锁，不会说在申请锁申请一半的时候，线程被切换下去了，其他线程去申请锁了，不会出现这种中间态的情况！既然加锁和解锁的过程是原子的，那其实访问锁就是安全的！（但加锁解锁的过程为什么是原子的呢？我该如何理解呢？这个后面会说。）

RAII风格的封装设计锁？（构造函数加锁，析构函数解锁）

如果我们想简单的封装使用锁，那我们该如何设计呢？我们也想像之前封装设计线程那样搞出来C++式的面向对象版的创建线程和销毁线程。
实际实现起来也很简单，无非就是对原生的申请锁，加锁，解锁接口的封装！我们先定义一个互斥量的类，类中实现构造函数将锁的地址进行初始化，然后定义出加锁和解锁的两个接口，这样就可以定义出来一个内部能够进行加锁和解锁的类。
然后我们再加一层封装，实现出RAII（ Resource Acquisition Is Initialization）风格的加锁，即为构造函数处进行加锁，析构函数处进行解锁！
至于锁的初始化和销毁方案，是类外面的事情，使用时需要自己先初始化好一把锁，确定初始化和销毁的方案，然后利用LockGuard.hpp这个小组件来进行加锁和解锁的过程！

可重入函数和线程安全

在多线程并发执行代码，同时访问共享资源的时候，如果某一个共享资源由于多线程访问，发生了数据不一致，共享资源不安全，并且导致其他线程运行出问题了，那么这种情况就是线程不安全的。尤其对于没有锁保护的共享资源的多线程访问的代码，很大概率出现线程不安全的情况。
而什么是可重入呢？这个话题并不陌生，我们之前谈论进程信号的时候，进程可能由于收到信号，并且在陷入内核时检测到信号，跳转到handler方法执行信号处理函数，信号处理函数中可能会出现和main执行流中执行相同的函数体，例如当时我们所说的链表的push_back在main和handler中同时执行，可能会导致某些未知错误的产生，如果出现了问题，那么我们称这个函数是不可重入函数，如果没有出现问题这个函数就是可重入函数。值得注意的是，不可重入函数说的是这个函数的属性，而不是说这个函数叫做不可重入函数，那么他就一定不能被执行流所重入，只是说，他如果被执行流重入，极大概率是要出问题的。

死锁

死锁是指一个进程中的各个线程，都持有着锁，但同时又去申请其他线程的锁，而每个线程持有的锁都是占有不会释放的，所以大家都会等着，等对方先释放锁，但是呢，大家又都不释放锁，全都占有着锁，所以大家就会处于一种永久等待的状态，也就是永久性的阻塞状态，所有执行流都不会被运行，这样的问题就是死锁！
之前抢票的代码中，多个线程使用的是同一把锁，未来有些场景一定是要使用多把锁的，在多把锁的情况下，如果某些线程持有锁不释放，还要去申请其他线程正持有的锁，而每个线程都是这样的状态，那就是死锁问题。

产生死锁的四个必要条件
1.互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用，互斥其实就是加锁之后线程的串行执行。
2.请求与保持条件：一个执行流由于请求资源而阻塞时，对自己已经获得的资源保持不放。说白了就是我自己的东西不释放，我还要你的东西，你不给我就一直等，等到你给我为止。
3.不剥夺条件：一个线程在未使用完自己获得的资源之前，是不能够强行剥夺其他线程的资源的。说白了就是你先在还有资源呢，你想要别人的自由你就得等，不能强行剥夺！当你使用完自己的资源后，你可以去等待申请别人的资源。总之就是不能强行剥夺其他线程的资源，想要就必须阻塞等待别人释放资源才可以。
4.循环等待条件：若干个执行流之间，形成一种头尾相接的互相等待对方资源的关系。我们也称这样的现象为环路等待。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-842339.html

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