【Linux】线程同步 -- 条件变量 | 生产者消费者模型 | 自旋锁 |读写锁

初识生产者消费者模型

举一个例子：

学生去超市消费的时候，与厂家生产的时候，两者互不相冲突。
生产的过程与消费的过程 – 解耦
临时的保存产品的场所(超时) – 缓冲区

模型总结“321”原则:

• 3种关系：生产者和生产者（互斥），消费者和消费者（互斥），生产者和消费者（互斥[保证共享资源的安全性] && 同步） – 产品（数据)
• 2种角色:生产者线程，消费者线程
• 1个交易场所:一段特定结构的缓冲区

只要我们想写生产消费模型，我们本质工作其实就是维护321原则!

特点:

1. 生产线程和消费线程进行解耦
2. 支持生产和消费的一段时间的忙闲不均的问题
3. 提高效率

举例：
我们以前：main函数获取用户输入，然后调用fun函数，fun函数执行，打印结果。这是一个串行的流程，现在我们对应生产者消费者模型：

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同步

条件变量

由于上述的原因，我们不能仅靠锁来去实现线程互斥。

什么是条件变量：

• 当一个线程互斥地访问某个变量时，它可能发现在其它线程改变状态之前，它什么也做不了。(比如我们抢票，如果目前还没有票，那么每个人都是做同样的动作：加锁→判断票是否为0→解锁，在还没有放票之前，每个人都什么也做不了)
• 例如一个线程访问队列时，发现队列为空，它只能等待，只到其它线程将一个节点添加到队列中。这种情况就需要用到条件变量。

感性认识条件变量：
模拟一个面试流程：
1.假如我们一堆人都要到一家公司面试，但是这个公司的HR组织的不行，每次面试都是一堆人举手来竞争面试机会，都说要自己先来，而HR也是看谁顺眼就让他进去面试 – 一份共享资源被多线程并发式的竞争
2.同样是面试，而HR组织的好，说要面试必须要到等待区等待，按照排队顺序来：（这个等待区就是一个条件变量）

当条件不满足的时候，我们线程必须去某些定义好的条件变量上进行等待!

初步使用

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int tickets = 1000;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void *start_routine(void *args)
{
    std::string name = static_cast<const char *>(args);
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 为什么要有mutex，后面就说
        // 判断暂时省略
        std::cout << name << " -> " << tickets << std::endl;
        tickets--;
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }
}

int main()
{
    // 通过条件变量控制线程的执行
    pthread_t t[5];
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        char *name = new char[64];
        snprintf(name, 64, "thread %d", i + 1);
        pthread_create(t+i, nullptr, start_routine, name);
    }

    while (true)
    {
        sleep(1);
        pthread_cond_signal(&cond);
        //pthread_cond_broadcast(&cond);
        std::cout << "main thread wakeup one thread..." << std::endl;
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        pthread_join(t[i], nullptr);
    }

    return 0;
}
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我们可以发现进程按照一定的顺序在执行

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POSIX信号量

POSIX信号量和SystemV信号量作用相同，都是用于同步操作，达到无冲突的访问共享资源目的。 但POSIX可以用于线程间同步。

初始化信号量

#include <semaphore.h>
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
参数：
pshared:0表示线程间共享，非零表示进程间共享
value：信号量初始值
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5

销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);
1

等待信号量

功能：等待信号量，会将信号量的值减1
int sem_wait(sem_t *sem); //P()
1
2

发布信号量

功能：发布信号量，表示资源使用完毕，可以归还资源了。将信号量值加1。
int sem_post(sem_t *sem);//V()
1
2

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其他常见的各种锁

• 悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。
• 乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。
• CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。

自旋锁

场景一：你喊你的朋友一起去吃饭，你的朋友说等他一会就来，在等的期间你每隔一会就打电话问他来没来 – 自旋
场景二：你喊你的朋友一起去吃饭，你的朋友说等他一会就来，你不想就只在原地等，你走路去学校网吧上网，走路去的过程叫做挂起，在网吧上网叫做等待，你朋友跟你打电话说他已经来了，然后你回学校这叫做唤醒。-- 挂起等待

是什么决定了最终的等待方式？
等待的时间问题。已经被申请的临界资源决定了其他线程要等待，一个成功申请临界资源的线程在临界区内要待多少时间，这个时间长短就决定了我们使用哪种方式：(阻塞等待/自旋)。时间的长短如何定义？都是用分别测试效果。

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
1
2

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
1
2

int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
1

读写锁

在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？ 有，那就是读写锁。

场景：比如在以前学校的黑板报，画黑板报的为写者，写者与写者之间是互斥关系(你正在写字，他不能把你写的字擦了画画)，而观看的同学是读者，读者与读者之间不存在什么关系(黑板报画好了，我们都是一起看的，不存在先来就先看其余的蒙着眼睛不准看)。

读者写者模型与生产者消费者模型本质区别是：消费者会拿走数据而读者不会。
读者写者：写者之间 – 互斥 、读写者 – 互斥/同步 、读者之间 – 没关系
读者写者模型适用场景：一次发布，很长时间不做修改，大部分时间都是被读取的（大部分时间都是被读写，少量的时间在进行写入）

设置读写优先

int pthread_rwlockattr_setkind_np(pthread_rwlockattr_t *attr, int pref);
pref 共有 3 种选择
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP (默认设置) 读者优先，可能会导致写者饥饿情况
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NP 写者优先，目前有 BUG，导致表现行为和
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_READER_NP 一致
PTHREAD_RWLOCK_PREFER_WRITER_NONRECURSIVE_NP 写者优先，但写者不能递归加锁
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int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
              const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
1
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3

读者加锁：

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
1
2

写者加锁：

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
1
2

统一解锁：

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
1

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