我們都知道，進程是操作系統對運行程序資源分配的基本單位，而線程是程序邏輯，調用的基本單位。在多線程的程序中，多個線程共享臨界區資源，那麼就會有問題：
比如
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int g_val = 10;
void * test1(void* args)
{
g_val = 20;
printf("in %s: g_val = %d\n",__func__, g_val);
}
void * test2(void* args)
{
sleep(1);
printf("in %s: g_val = %d\n",__func__,g_val);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
pthread_t id1,id2;
pthread_create(&id1,NULL,test1,NULL);
pthread_create(&id2,NULL,test2,NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
return 0;
}
由次我們可以看到，線程1修改了全局變量，而線程2中頁跟著改變了。
那麼，對於這個問題進行放大，我們就會找到多線程存在的問題。如下
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
// pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int g_val = 0;
void* add(void *argv)
{
for(int i = 0 ; i < 5000; ++i)
{
// g_val++;
// pthread_mutex_lock(&lock);
int tmp = g_val;
g_val = tmp+1;
// pthread_mutex_unlock(&lock);
}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
pthread_t id1,id2;
pthread_create(&id1,NULL,add,NULL);
pthread_create(&id2,NULL,add,NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
printf("%d\n",g_val);
return 0;
}
在上面代碼中，我們執行兩個線程分別對全局變量累加5000次，但是得到的結果卻是不確定的。這是因為，在多線程程序中，線程調度使得線程間進行切換執行，如果當線程1將數據從內存讀入cpu正在准備累加時，調度器切換線程2執行，此時，線程2獲取的值是未累加的。那麼，當兩個線程都執行完本次累加後，實際值只增加了1。所以就會產生多次執行，結果不確定性。
注：代碼中沒有直接g_val++,而選擇了tmp過度就是為了產生非原子操作，讓調度過程處於累加未完時。
那麼解決這個問題，就需要互斥操作了。
我們首先來談互斥量mutex
通過互斥量實現線程鎖，在每個線程累加之前，進行臨界資源的鎖操作，在結束時解鎖，那麼就能保證目標的實現了。
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int g_val = 0;
void* add(void *argv)
{
for(int i = 0 ; i < 5000; ++i)
{
// g_val++;
pthread_mutex_lock(&lock);
int tmp = g_val;
g_val = tmp+1;
pthread_mutex_unlock(&lock);
}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
pthread_t id1,id2;
pthread_create(&id1,NULL,add,NULL);
pthread_create(&id2,NULL,add,NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
printf("%d\n",g_val);
return 0;
}
關於互斥鎖的實現，在linux中實現如下
問題場景描述
假設我們現在需要做一個生產者消費者模型，生產者對帶有頭節點的鏈表頭插方式push_front生產數據，消費者調用pop_front消費數據.而生產者可能動作比較慢，這時就會有問題。
生產者生產一個數據時間，消費者可能迫切需求。因此，一直輪尋申請鎖資源，以便進行消費。所以就會產生多次不必的鎖資源申請釋放動作。影響系統性能。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
typedef struct node
{
int _data;
struct node *_next;
}node_t,* node_p,**node_pp;
node_p head = NULL;
node_p alloc_node(int data)
{
node_p ret = (node_p)malloc(sizeof(node_t));
ret->_data = data;
ret->_next = NULL;
return ret;
}
void init(node_pp phead)
{
*phead = alloc_node(0);
}
void push_front(node_p head,int data)
{
node_p tmp = alloc_node(data);
tmp->_next = head->_next;
head->_next = tmp;
}
void pop_front(node_p head, int * pdata)
{
if(head->_next!=NULL)
{
node_p tmp = head->_next;
head->_next = tmp->_next;
*pdata = tmp->_data;
free(tmp);
}
}
void show(node_p head)
{
node_p cur = head->_next;
while(cur)
{
printf("%d->", cur->_data);
cur = cur->_next;
}
printf("\n");
}
//消費者
void * consumer(void *argv)
{
int data;
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
// while(head->_next==NULL)
if(head->_next==NULL)
{
printf("producter is not ready\n");
// pthread_cond_wait(&cond,&lock);
// break;
}
else{
printf("producter is ready...\n");
pop_front(head,&data);
printf("%s data = %d \n",__func__, data);
}
pthread_mutex_unlock(&lock);
sleep(1);
}
}
void * producter(void * argv)
{
int data = rand()%1234;
while(1)
{
sleep(4);
pthread_mutex_lock(&lock);
push_front(head,data);
printf("%s data :: %d\n",__func__, data);
pthread_mutex_unlock(&lock);
// pthread_cond_signal(&cond);
}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
init(&head);
pthread_t id1,id2;
pthread_create(&id1,NULL,consumer,NULL);
pthread_create(&id2,NULL,producter,NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
}
由上，我們發現。生產者生叉一個數據之後，消費者總是會多次進行鎖資源申請並嘗試消費數據。那麼，解決這一問題的方案就是：條件變量。
具體實現如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
typedef struct node
{
int _data;
struct node *_next;
}node_t,* node_p,**node_pp;
node_p head = NULL;
node_p alloc_node(int data)
{
node_p ret = (node_p)malloc(sizeof(node_t));
ret->_data = data;
ret->_next = NULL;
return ret;
}
void init(node_pp phead)
{
*phead = alloc_node(0);
}
void push_front(node_p head,int data)
{
node_p tmp = alloc_node(data);
tmp->_next = head->_next;
head->_next = tmp;
}
void pop_front(node_p head, int * pdata)
{
if(head->_next!=NULL)
{
node_p tmp = head->_next;
head->_next = tmp->_next;
*pdata = tmp->_data;
free(tmp);
}
}
void show(node_p head)
{
node_p cur = head->_next;
while(cur)
{
printf("%d->", cur->_data);
cur = cur->_next;
}
printf("\n");
}
//消費者
void * consumer(void *argv)
{
int data;
while(1)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
while(head->_next==NULL)
// if(head->_next==NULL)
{
printf("producter is not ready\n\n");
pthread_cond_wait(&cond,&lock);
break;
}
// else{
// printf("producter is ready...\n");
pop_front(head,&data);
printf("%s data = %d \n",__func__, data);
// }
pthread_mutex_unlock(&lock);
sleep(1);
}
}
void * producter(void * argv)
{
int data = rand()%1234;
while(1)
{
sleep(4);
pthread_mutex_lock(&lock);
push_front(head,data);
printf("%s data :: %d\n",__func__, data);
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&cond); //條件變量v操作
}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
init(&head);
pthread_t id1,id2;
pthread_create(&id1,NULL,consumer,NULL);
pthread_create(&id2,NULL,producter,NULL);
pthread_join(id1,NULL);
pthread_join(id2,NULL);
}
由圖可以看出，這下我們的消費者不再進行過多次沒必要的輪尋訪問，當生產者生產數據時，告訴消費者可以進行消費了，那麼消費者進行消費。
其實這也就是著名的：好萊塢原則---不要打電話給我們，我們會通知你。
eg，在面試筆試中，我們不需要過度的緊張是否被錄用，只需要在做到最大努力之後等著招聘方通知就好。
注：一個Condition Variable總是和一個Mutex搭配使用的。一個線程可以調用
pthread_cond_wait在一一個Condition Variable上阻塞等待,這個函數做以下三步操作:
1. 釋放Mutex
2. 阻塞等待
3. 當被喚醒時,重新獲得Mutex並返回