【C语言】多线程之条件竞争

条件竞争

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
void* Print(char* str){printf("%s ",str);
}int main(){pthread_t thread1,thread2;pthread_create(&thread1,NULL,(void*)&Print,"Hello");pthread_create(&thread2,NULL,(void*)&Print,"World");return 0;
}

编译运行后，发现没有预期输出。

原因：主线程的退出会导致创建的线程退出

使用pthread_create函数创建两个线程，两个线程创建后，并不影响主线程的执行，所以这里就存在三个线程的竞争关系。主线程执行return 0;先于另外两个线程的打印函数。所以看不见另外两个线程的输出。为了使return 0;语句在另外两个进程后执行，可以采用sleep()函数进行延迟，就可以得到输出了，这就是条件竞争。

在遇到条件竞争的问题中，采用sleep()函数进行延迟似乎也能解决问题。实则不然，弊端很明显：

1. 不能判断延迟的时间长度。
2. 使程序执行卡顿。

最适当的解决方法是采用锁机制。

并发程序引起的共享内存的问题

有两个进程，两个进程共享全局变量s。两个进程都执行一个计数功能的函数，直观地看过去，th1运行时s++要执行10000次，th2运行时s++也要执行10000次，似乎计算得到的最后s应该是20000。但实际上是这样的吗？

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
int s = 0;
void *func(void*args){int i;for(i = 0; i < 10000; i++){s++;}return NULL;
}
int main(){pthread_t th1;pthread_t th2;pthread_create(&th1, NULL, func, NULL);pthread_create(&th2, NULL, func, NULL);pthread_join(th1, NULL);pthread_join(th2, NULL);printf("%s = %d\n", s);return 0;
}

编译运行后，发现输出并不是20000，而是12657。

运行了3次这个程序，每次的结果都不同。 用这个演示来表示一下，多线程之间是资源共享的。

s++ 是有三个步的，读取s，s+1，写入s。

在程序运行的某个时刻，th1携带myfunc执行s++，读取s,此时s=100,进行s+1， 与此同时th2也开始读取s，此时的s还是等于100, 这时th1，执行写入s=101，th2执行s++,写入s ，s=101. th2中的s 就会覆盖掉 th1中的s 。这样造成了结果的误差。

原因：当我们执行s++，底层发生的事件其实是：内存中读取s→将s+1→将s写入到内存。这不是一个原子化操作，当两个线程交错运行的时候，很容易发生结果的丢失。因此最后的结果肯定是要小于20000的。这种情况有种专有名词，叫race condition。

为了解决这个问题，我们可以加锁。

#include <pthread.h>
int s = 0;
pthread_mutex_t lock;	//锁的声明
void *func(void *args){int i;for(i = 0; i < 10000; i++){	//给临界区代码加锁实现原子化操作pthread_mutex_lock(&lock);s++;pthread_mutex_unlock(&lock);}return NULL;
}
int main(){pthread_t th1;pthread_t th2;//锁初始化pthread_mutex_init(&lock, NULL);pthread_create(&th1, NULL, func, NULL);pthread_createe(&th2, NULL, func, NULL);pthread_join(th1, NULL);pthread_join(th2, NULL);printf("s = %d\n, s);return 0;
}

改进后的代码如下，学过操作系统会很好理解，无非就是为了保证共享内存区(临界区)的原子化操作，我们可以在进这段代码之前加锁(pthread_mutex_lock)，意味着其他线程看到这段内存被其他人占有的时候，就不去抢占，等这段内存被解锁(pthread_mutex_unlock)之后，它才有读写这段临界区的权利。

但其实这种方式的执行速度并不快，比如这段代码里，每个线程都要进行10000次加解锁的操作，它能解决内存读写冲突的问题，但是却牺牲了效率。
锁的作用是什么呢？

前面说过多线程是并发执行的，th1运行后 进行了加锁，th2这时候想要运行，就必须等待th1解锁之后才行。
（一个卫生间，多个人要用，第一个人进去之后，把门锁上了，后边的人就得排队等着，第一个方便完了，解锁开门出来，第二个人进去，继续锁门……）

锁 在提高程序的安全性的同时，也降低了程序的效率。

锁的使用方法

pthread_mutex_t lock; 声明一个锁

pthread_mutex_init(&lock,NULL); 对声明的锁进行初始化

pthread_mutex_lock(&lock); //上锁 此时其他线程就开始等待

pthread_mutex_lock(&unlock); //解锁 其他线程可以使用资源了

死锁

拿上边举例，th1运行后，th2会等待th1解锁，才能运行，如果程序出现错误中断了，th1没有执行完，重新启动后，th1又重新执行，这时候th2排在th1前边，需要等待th1的解锁 ，而th1又在等待th2结束。 这样就造成了相互等待的情况，这个就是死锁。

互斥锁机制

通过访问时对共享资源加锁的方法，防止多个线程同时访问共享资源。锁有两种状态：未上锁和已上锁。在访问共享资源时，进行上锁，在访问结束后，进行解锁。若在访问时，共享资源已被其它线程锁住了，则进入堵塞状态等待该线程释放锁再继续下一步的执行。这种锁我们称为互斥锁。

互斥锁相关函数介绍：

1、pthread_mutex_init ：初始化一个互斥锁。

函数原型：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_tmutex,constpthread_mutexattr_tattr);

2、pthread_mutex_lock：若所访问的资源未上锁，则进行lock，否则进入堵塞状态。

函数原型：intpthread_mutex_lock(pthread_mutex_t*mutex);

3、pthread_mutex_unlock：对互斥锁进行解锁。

函数原型：intpthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t*mutex);

4、pthread_mutex_destroy：销毁一个互斥锁。

函数原型：intpthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t*mutex);

生产者消费者模型

生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中生成产品，消费者从存储空间中取走产品。当存储空间为空时，消费者阻塞；当存储空间满时，生产者阻塞。（下面代码中存储空间为1）

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<stdlib.h>int buf = 0;pthread_mutex_t mut;
void producer(){while(1){pthread_mutex_lock(&mut);if(buf == 0){buf = 1;printf("produced an item.\n");sleep(1);}pthread_mutex_unlock(&mut);}
}
void consumer(){while(1){pthread_mutex_lock(&mut);if(buf == 1){buf = 0;printf("consumed an item.\n");sleep(1);}pthread_mutex_unlock(&mut);}
}int main(void){pthread_t thread1,thread2;pthread_mutex_init(&mut,NULL);pthread_create(&thread1,NULL,&producer,NULL);consumer(&buf);pthread_mutex_destroy(&mut);return 0;
}

从执行结果可以看出，运行顺序井然有序。生产后必是消费，消费完后必是生产。由于互斥锁机制的存在，生产者和消费者不会同时对共享资源进行访问。

信号量机制

上面了解到的互斥锁有两种状态：资源为0和1的状态。当我们所拥有的资源大于1时，可以采用信号量机制。在信号量机制中，我们有n个资源（n>0）。在访问资源时，若n>=1,则可以访问，同时信号量-1，否则堵塞等待直到n>=1。其实互斥锁可以看出信号量的一种特殊情况（n=1）。

信号量相关函数的介绍：
头文件：semaphore.h
1、sem_init函数：初始化一个信号量。
函数原型：int sem_init(sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);
参数：sem：指定了要初始化的信号量的地址；pshared：如果其值为0，就表示信号量是当前进程的局部信号量，否则信号量就可以在多个进程间共享；value：指定了信号量的初始值；返回值：成功=>0 , 失败=> -1；2、 sem_post函数：信号量的值加1，如果加1后值大于0：等待信号量的值变为大于0的进程或线程被唤醒。
函数原型：int sem_post(sem_t* sem);
返回值：成功=>0 , 失败=> -1；3、sem_wait函数：信号量的减1操作。如果当前信号量的值大于0，则可继续执行。如果当前信号量的值等于0，则会堵塞，直到信号量的值大于0.
函数原型：int sem_wait(sem_t* sem);
返回值：成功=>0 , 失败=> -1；4、sem_destroy函数：销毁一个信号量。
函数原型：int sem_destroy(sem_t* sem);
返回值：成功=>0 , 失败=> -1；5、sem_getvalue函数：获取信号量中的值。
函数原型：int sem_getvalue(sem_t* sem, int* sval);
获取信号量的值，并放在&sval上。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h>sem_t npro; //还可以生产多少
sem_t ncon; //还可以消费多少void* producer(void* arg){while(1){int num;sem_wait(&npro); //先判断是否可以生产sem_post(&ncon); //生产一个，可消费数+1sem_getvalue(&ncon,&num);printf("produce one,now have %d items.\n",num);sleep(0.7);}
}void consumer(void* arg){while(1){int num;sem_wait(&ncon); //判断是否可以消费sem_post(&npro); //消费一个，可生产数+1sem_getvalue(&ncon,&num);printf("consume one,now have %d items.\n",num);sleep(1);}
}int main(void){pthread_t thread1,thread2;//init semaphoresem_init(&npro,0,5); //设最大容量为5sem_init(&ncon,0,0);pthread_create(&thread1,NULL,&producer,NULL);consumer(NULL);return 0;
}

同样也可以解决条件竞争问题，而且使用范围更广了。

解决：

• pthread_join()函数
• 互斥锁机制
• 信号量机制