8.线程的同步和互斥

1. 线程的互斥机制

• 互斥的概念：在多线程环境中，对临界资源的排他性访问。
• 互斥锁：用于保证临界资源的访问控制。
• 互斥锁的使用框架：
  1. 定义互斥锁：

     pthread_mutex_t mutex;
     

  2. 初始化互斥锁：

     int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
     

     • 参数：
       • mutex：要初始化的互斥锁。
       • attr：互斥锁属性，通常为NULL（默认属性）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零。
  3. 加锁：

     int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
     

     • 功能：对临界资源加锁，确保同一时刻只有一个线程访问。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零。
  4. 解锁：

     int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
     

     • 功能：释放互斥锁，允许其他线程访问临界资源。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零。
  5. 销毁互斥锁：

     int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
     

     • 功能：销毁互斥锁，释放资源。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零。
  6. 尝试加锁：

     int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
     

     • 功能：尝试加锁，若锁已被占用则立即返回，不阻塞。
     • 返回值：成功返回0，失败返回非零。

2. 线程的同步机制

• 同步的概念：在多线程环境中，确保线程按照一定的顺序访问资源。
• 信号量：用于实现线程间的同步。
• 信号量的使用框架：
  1. 定义信号量：

     sem_t sem;
     

  2. 初始化信号量：

     int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
     

     • 参数：
       • sem：要初始化的信号量。
       • pshared：0表示线程间使用，非0表示进程间使用。
       • value：信号量的初始值（通常为1，表示二值信号量）。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  3. P操作（申请资源）：

     int sem_wait(sem_t *sem);
     

     • 功能：申请信号量资源，若资源不可用则阻塞。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  4. V操作（释放资源）：

     int sem_post(sem_t *sem);
     

     • 功能：释放信号量资源，唤醒等待的线程。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。
  5. 销毁信号量：

     int sem_destroy(sem_t *sem);
     

     • 功能：销毁信号量，释放资源。
     • 返回值：成功返回0，失败返回-1。

3. 死锁的产生与避免

• 死锁的产生原因：
  1. 系统资源不足。
  2. 进程运行推进顺序不合适。
  3. 资源分配不当。
• 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进程使用。
  2. 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放。
  3. 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺。
  4. 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系。
• 避免死锁的策略：
  • 破坏死锁的四个必要条件之一。
  • 使用资源分配算法（如银行家算法）避免死锁。

4. 练习与作业

• 练习1：设计一个多线程程序，共享同一块字符数组，分别向该数组中写入字符串，使用互斥锁保证某一时刻只能有一个线程操作该数组。
• 练习2：使用互斥锁完成多线程对指定文件的写操作，确保每个线程写入的信息不覆盖和交叉。
• 练习3：使用信号量实现线程同步，一个线程获取用户输入信息，另一个线程统计输入信息的长度并打印输出，输入quit时程序结束。
• 作业1：设计一个火车票售票系统，至少有两个售票窗口，确保每个窗口不重复卖票，将100张车票均匀卖出。
• 作业2：设计一个餐厅排队系统，模拟顾客排队、叫号、就餐的过程，使用信号量和互斥锁实现同步与互斥。

5. 线程的分离属性

• 设置分离属性：
  • 方法1：使用pthread_attr_setdetachstate：

    pthread_attr_t attr;
    pthread_attr_init(&attr);
    pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
    pthread_create(&tid, &attr, fun, NULL);
    pthread_attr_destroy(&attr);
    

  • 方法2：使用pthread_detach：

    pthread_detach(tid);
    

6. 线程的清理函数

• 注册清理函数：

  void pthread_cleanup_push(void (*routine)(void *), void *arg);
  

• 调用清理函数：

  void pthread_cleanup_pop(int execute);
  

7. 总结

• 互斥锁用于保证临界资源的排他性访问，信号量用于实现线程间的同步。
• 死锁的四个必要条件：互斥条件、请求与保持条件、不剥夺条件、循环等待条件。
• 通过合理使用互斥锁和信号量，可以避免多线程程序中的竞争条件和死锁问题。