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[26269] 2020-09-29_多个线程为了同个资源打起架来了，该如何让他们安分？

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-09-29_多个线程为了同个资源打起架来了，该如何让他们安分？ 多 个 线 程 为 了 同 个 资 源 打 起 架 来 了 ， 该 如 何 让 他 们 安 分 ？ L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 9 - 2 9 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 小 林 小 林 c o d i n g 前 言 前 言 先 来 看 看 虚 构 的 小 故 事 已 经 晚 上   1 1   点 了 ， 程 序 员 小 明 的 双 手 还 在 键 盘 上 飞 舞 着 ， 眼 神 依 然 注 视 着 的 电 脑 屏 幕 。 没 办 法 这 段 时 间 公 司 业 绩 增 长 中 ， 需 求 自 然 也 多 了 起 来 ， 加 班 自 然 也 少 不 了 。 天 气 变 化 莫 测 ， 这 时 窗 外 下 起 了 蓬 勃 大 雨 ， 同 时 闪 电 轰 鸣 。 但 这 一 丝 都 没 有 影 响 到 小 明 ， 始 料 未 及 ， 突 然 一 道 巨 大 的 雷 一 闪 而 过 ， 办 公 楼 就 这 么 停 电 了 ， 随 后 整 栋 楼 都 在 回 荡 着 的 小 明 那 一 声 撕 心 裂 肺 的 「 卧 槽 」 。 此 时 ， 求 小 明 的 心 里 面 积 有 多 大 ？ 等 小 明 心 里 平 复 后 ， 突 然 肚 子 非 常 的 痛 ， 想 上 厕 所 ， 小 明 心 想 肯 定 是 晚 上 吃 的 某 堡 王 有 问 题 。 整 栋 楼 都 停 了 电 ， 小 明 两 眼 一 抹 黑 ， 啥 都 看 不 见 ， 只 能 靠 摸 墙 的 方 法 ， 一 步 一 步 的 来 到 了 厕 所 门 口 。 到 了 厕 所 （ 共 享 资 源 共 享 资 源 ） ， 由 于 实 在 太 急 ， 小 明 直 接 冲 入 了 厕 所 里 ， 用 手 摸 索 着 刚 好 第 一 个 门 没 锁 门 ， 便 夺 门 而 入 。 这 就 荒 唐 了 ， 这 个 门 里 面 正 好 小 红 在 上 着 厕 所 ， 正 好 这 个 厕 所 门 是 坏 了 的 ， 没 办 法 锁 门 。 黑 暗 中 ， 小 红 虽 然 看 不 见 ， 但 靠 着 声 音 ， 发 现 自 己 面 前 的 这 扇 门 有 动 静 ， 觉 得 不 对 劲 ， 于 是 铆 足 了 力 气 ， 用 她 穿 着 高 跟 鞋 脚 ， 用 力 地 一 脚 踢 了 过 去 。 小 明 很 幸 运 ， 被 踢 中 了 「 命 根 子 」 ， 撕 心 裂 肺 地 喊 出 了 一 个 字 「 痛 」 ！ 故 事 说 完 了 ， 扯 了 那 么 多 ， 实 际 上 是 为 了 说 明 ， 对 于 共 享 资 源 ， 如 果 没 有 上 锁 ， 在 多 线 程 的 环 境 里 ， 那 么 对 于 共 享 资 源 ， 如 果 没 有 上 锁 ， 在 多 线 程 的 环 境 里 ， 那 么 就 可 能 会 发 生 翻 车 现 场 。 就 可 能 会 发 生 翻 车 现 场 。 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。
接 下 来 ， 用 张 图 ， 带 大 家 走 进 操 作 系 统 中 避 免 多 线 程 资 源 竞 争 的 互 斥 、 同 步 互 斥 、 同 步 的 方 法 。 正 文 正 文 竞 争 与 协 作 在 单 核   C P U   系 统 里 ， 为 了 实 现 多 个 程 序 同 时 运 行 的 假 象 ， 操 作 系 统 通 常 以 时 间 片 调 度 的 方 式 ， 让 每 个 进 程 执 行 每 次 执 行 一 个 时 间 片 ， 时 间 片 用 完 了 ， 就 切 换 下 一 个 进 程 运 行 ， 由 于 这 个 时 间 片 的 时 间 很 短 ， 于 是 就 造 成 了 「 并 发 」 的 现 象 。 3 0 +
并 发 另 外 ， 操 作 系 统 也 为 每 个 进 程 创 建 巨 大 、 私 有 的 虚 拟 内 存 的 假 象 ， 这 种 地 址 空 间 的 抽 象 让 每 个 程 序 好 像 拥 有 自 己 的 内 存 ， 而 实 际 上 操 作 系 统 在 背 后 秘 密 地 让 多 个 地 址 空 间 「 复 用 」 物 理 内 存 或 者 磁 盘 。 虚 拟 内 存 管 理 - 换 入 换 出 如 果 一 个 程 序 只 有 一 个 执 行 流 程 ， 也 代 表 它 是 单 线 程 的 。 当 然 一 个 程 序 可 以 有 多 个 执 行 流 程 ， 也 就 是 所 谓 的 多 线 程 程 序 ， 线 程 是 调 度 的 基 本 单 位 ， 进 程 则 是 资 源 分 配 的 基 本 单 位 。 所 以 ， 线 程 之 间 是 可 以 共 享 进 程 的 资 源 ， 比 如 代 码 段 、 堆 空 间 、 数 据 段 、 打 开 的 文 件 等 资 源 ， 但 每 个 线 程 都 有 自 己 独 立 的 栈 空 间 。
多 线 程 那 么 问 题 就 来 了 ， 多 个 线 程 如 果 竞 争 共 享 资 源 ， 如 果 不 采 取 有 效 的 措 施 ， 则 会 造 成 共 享 数 据 的 混 乱 。 我 们 做 个 小 实 验 ， 创 建 两 个 线 程 ， 它 们 分 别 对 共 享 变 量 自 增 执 行 次 ， 如 下 代 码 （ 虽 然 说 是   C + +   代 码 ， 但 是 没 学 过   C + +   的 同 学 也 是 看 到 懂 的 ） ： i 1 1 0 0 0 0
按 理 来 说 ， 变 量 最 后 的 值 应 该 是 ， 但 很 不 幸 ， 并 不 是 如 此 。 我 们 对 上 面 的 程 序 执 行 一 下 ： i 2 0 0 0 0
运 行 了 两 次 ， 发 现 出 现 了   i   值 的 结 果 是 ， 也 会 出 现 的   i   值 结 果 。 每 次 运 行 不 但 会 产 生 错 误 ， 而 且 得 到 不 同 的 结 果 。 在 计 算 机 里 是 不 能 容 忍 的 ， 虽 然 是 小 概 率 出 现 的 错 误 ， 但 是 小 概 率 事 件 它 一 定 是 会 发 生 的 ， 「 墨 菲 定 律 」 大 家 都 懂 吧 。 为 什 么 会 发 生 这 种 情 况 ？ 为 了 理 解 为 什 么 会 发 生 这 种 情 况 ， 我 们 必 须 了 解 编 译 器 为 更 新 计 数 器 变 量 生 成 的 代 码 序 列 ， 也 就 是 要 了 解 汇 编 指 令 的 执 行 顺 序 。 在 这 个 例 子 中 ， 我 们 只 是 想 给 加 上 数 字   1 ， 那 么 它 对 应 的 汇 编 指 令 执 行 过 程 是 这 样 的 ： 可 以 发 现 ， 只 是 单 纯 给 1 5 1 7 3 2 0 0 0 0 i i i
加 上 数 字   1 ， 在   C P U   运 行 的 时 候 ， 实 际 上 要 执 行 条 指 令 。 设 想 我 们 的 线 程   1   进 入 这 个 代 码 区 域 ， 它 将   i   的 值 （ 假 设 此 时 是   5 0   ） 从 内 存 加 载 到 它 的 寄 存 器 中 ， 然 后 它 向 寄 存 器 加   1 ， 此 时 在 寄 存 器 中 的   i   值 是   5 1 。 现 在 ， 一 件 不 幸 的 事 情 发 生 了 ： 时 钟 中 断 发 生 时 钟 中 断 发 生 。 因 此 ， 操 作 系 统 将 当 前 正 在 运 行 的 线 程 的 状 态 保 存 到 线 程 的 线 程 控 制 块   T C P 。 现 在 更 糟 的 事 情 发 生 了 ， 线 程   2   被 调 度 运 行 ， 并 进 入 同 一 段 代 码 。 它 也 执 行 了 第 一 条 指 令 ， 从 内 存 获 取   i 值 并 将 其 放 入 到 寄 存 器 中 ， 此 时 内 存 中   i   的 值 仍 为   5 0 ， 因 此 线 程   2   寄 存 器 中 的   i   值 也 是   5 0 。 假 设 线 程   2 执 行 接 下 来 的 两 条 指 令 ， 将 寄 存 器 中 的   i   值   +   1 ， 然 后 将 寄 存 器 中 的   i   值 保 存 到 内 存 中 ， 于 是 此 时 全 局 变 量 i   值 是   5 1 。 最 后 ， 又 发 生 一 次 上 下 文 切 换 ， 线 程   1   恢 复 执 行 。 还 记 得 它 已 经 执 行 了 两 条 汇 编 指 令 ， 现 在 准 备 执 行 最 后 一 条 指 令 。 回 忆 一 下 ，   线 程   1   寄 存 器 中 的   i   值 是 5 1 ， 因 此 ， 执 行 最 后 一 条 指 令 后 ， 将 值 保 存 到 内 存 ， 全 局 变 量   i   的 值 再 次 被 设 置 为   5 1 。 简 单 来 说 ， 增 加   i   （ 值 为   5 0   ） 的 代 码 被 运 行 两 次 ， 按 理 来 说 ， 最 后 的   i   值 应 该 是   5 2 ， 但 是 由 于 不 可 控 的 不 可 控 的 调 度 调 度 ， 导 致 最 后   i   值 却 是   5 1 。 针 对 上 面 线 程   1   和 线 程   2   的 执 行 过 程 ， 我 画 了 一 张 流 程 图 ， 会 更 明 确 一 些 ： 3
蓝 色 表 示 线 程   1   ， 红 色 表 示 线 程   2 互 斥 的 概 念 互 斥 的 概 念 上 面 展 示 的 情 况 称 为 竞 争 条 件 （ 竞 争 条 件 （ r a c e   c o n d i t i o n ） ） ， 当 多 线 程 相 互 竞 争 操 作 共 享 变 量 时 ， 由 于 运 气 不 好 ， 即 在 执 行 过 程 中 发 生 了 上 下 文 切 换 ， 我 们 得 到 了 错 误 的 结 果 ， 事 实 上 ， 每 次 运 行 都 可 能 得 到 不 同 的 结 果 ， 因 此 输 出 的 结 果 存 在 不 确 定 性 （ 不 确 定 性 （ i n d e t e r m i n a t e ） ） 。 由 于 多 线 程 执 行 操 作 共 享 变 量 的 这 段 代 码 可 能 会 导 致 竞 争 状 态 ， 因 此 我 们 将 此 段 代 码 称 为 临 界 区 （ 临 界 区 （ c r i t i c a l s e c t i o n ） ， 它 是 访 问 共 享 资 源 的 代 码 片 段 ， 一 定 不 能 给 多 线 程 同 时 执 行 。 ） ， 它 是 访 问 共 享 资 源 的 代 码 片 段 ， 一 定 不 能 给 多 线 程 同 时 执 行 。 我 们 希 望 这 段 代 码 是 互 斥 （ 互 斥 （ m u t u a l e x c l u s i o n ） 的 ， 也 就 说 保 证 一 个 线 程 在 临 界 区 执 行 时 ， 其 他 线 程 应 该 ） 的 ， 也 就 说 保 证 一 个 线 程 在 临 界 区 执 行 时 ， 其 他 线 程 应 该 被 阻 止 进 入 临 界 区 被 阻 止 进 入 临 界 区 ， 说 白 了 ， 就 是 这 段 代 码 执 行 过 程 中 ， 最 多 只 能 出 现 一 个 线 程 。
互 斥 另 外 ， 说 一 下 互 斥 也 并 不 是 只 针 对 多 线 程 。 在 多 进 程 竞 争 共 享 资 源 的 时 候 ， 也 同 样 是 可 以 使 用 互 斥 的 方 式 来 避 免 资 源 竞 争 造 成 的 资 源 混 乱 。 同 步 的 概 念 同 步 的 概 念 互 斥 解 决 了 并 发 进 程 / 线 程 对 临 界 区 的 使 用 问 题 。 这 种 基 于 临 界 区 控 制 的 交 互 作 用 是 比 较 简 单 的 ， 只 要 一 个 进 程 / 线 程 进 入 了 临 界 区 ， 其 他 试 图 想 进 入 临 界 区 的 进 程 / 线 程 都 会 被 阻 塞 着 ， 直 到 第 一 个 进 程 / 线 程 离 开 了 临 界 区 。 我 们 都 知 道 在 多 线 程 里 ， 每 个 线 程 并 一 定 是 顺 序 执 行 的 ， 它 们 基 本 是 以 各 自 独 立 的 、 不 可 预 知 的 速 度 向 前 推 进 ， 但 有 时 候 我 们 又 希 望 多 个 线 程 能 密 切 合 作 ， 以 实 现 一 个 共 同 的 任 务 。 例 子 ， 线 程   1   是 负 责 读 入 数 据 的 ， 而 线 程   2   是 负 责 处 理 数 据 的 ， 这 两 个 线 程 是 相 互 合 作 、 相 互 依 赖 的 。 线 程   2   在 没 有 收 到 线 程   1   的 唤 醒 通 知 时 ， 就 会 一 直 阻 塞 等 待 ， 当 线 程   1   读 完 数 据 需 要 把 数 据 传 给 线 程   2 时 ， 线 程   1   会 唤 醒 线 程   2 ， 并 把 数 据 交 给 线 程   2   处 理 。 所 谓 同 步 ， 就 是 并 发 进 程 所 谓 同 步 ， 就 是 并 发 进 程 / 线 程 在 一 些 关 键 点 上 可 能 需 要 互 相 等 待 与 互 通 消 息 ， 这 种 相 互 制 约 的 等 待 与 线 程 在 一 些 关 键 点 上 可 能 需 要 互 相 等 待 与 互 通 消 息 ， 这 种 相 互 制 约 的 等 待 与 互 通 信 息 称 为 进 程 互 通 信 息 称 为 进 程 / 线 程 同 步 线 程 同 步 。 举 个 生 活 的 同 步 例 子 ， 你 肚 子 饿 了 想 要 吃 饭 ， 你 叫 妈 妈 早 点 做 菜 ， 妈 妈 听 到 后 就 开 始 做 菜 ， 但 是 在 妈 妈 没 有 做 完 饭 之 前 ， 你 必 须 阻 塞 等 待 ， 等 妈 妈 做 完 饭 后 ， 自 然 会 通 知 你 ， 接 着 你 吃 饭 的 事 情 就 可 以 进 行 了 。
吃 饭 与 做 菜 的 同 步 关 系 注 意 ， 同 步 与 互 斥 是 两 种 不 同 的 概 念 ： 同 步 就 好 比 ： 「 操 作   A   应 在 操 作   B   之 前 执 行 」 ， 「 操 作   C   必 须 在 操 作   A   和 操 作   B   都 完 成 之 后 才 能 执 行 」 等 ； 互 斥 就 好 比 ： 「 操 作   A   和 操 作   B   不 能 在 同 一 时 刻 执 行 」 ； 互 斥 与 同 步 的 实 现 和 使 用 在 进 程 / 线 程 并 发 执 行 的 过 程 中 ， 进 程 / 线 程 之 间 存 在 协 作 的 关 系 ， 例 如 有 互 斥 、 同 步 的 关 系 。 为 了 实 现 进 程 / 线 程 间 正 确 的 协 作 ， 操 作 系 统 必 须 提 供 实 现 进 程 协 作 的 措 施 和 方 法 ， 主 要 的 方 法 有 两 种 ： 锁 ： 加 锁 、 解 锁 操 作 ； 信 号 量 ： P 、 V   操 作 ； 这 两 个 都 可 以 方 便 地 实 现 进 程 / 线 程 互 斥 ， 而 信 号 量 比 锁 的 功 能 更 强 一 些 ， 它 还 可 以 方 便 地 实 现 进 程 / 线 程 同 步 。 锁 锁 使 用 加 锁 操 作 和 解 锁 操 作 可 以 解 决 并 发 线 程 / 进 程 的 互 斥 问 题 。 任 何 想 进 入 临 界 区 的 线 程 ， 必 须 先 执 行 加 锁 操 作 。 若 加 锁 操 作 顺 利 通 过 ， 则 线 程 可 进 入 临 界 区 ； 在 完 成 对 临 界 资 源 的 访 问 后 再 执 行 解 锁 操 作 ， 以 释 放 该 临 界 资 源 。
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