多线程的认识

竞争与协作

在单核 CPU 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。

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。

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。

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。

假设现在创建了2个线程，要对i=i+1循环一千次，会出现什么结果？

假设 i == 100

线程 A 读取 i = 100
线程 B 读取 i = 100
A 执行 i + 1 得到 101，准备写入
B 执行 i + 1 也得到 101，准备写入
A 写入 i = 101
B 也写入 i = 101（把 A 的写入覆盖了）

本应 i = 102，但只加了 1，加1“丢失”了。

互斥的概念

上面展示的情况称为竞争条件（race condition），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（indeterminate）。

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（criticalsection），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（mutualexclusion）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，说白了，就是这段代码执行过程中，最多只能出现一个线程。

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

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，每个线程并不一定是顺序执行的，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/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/线程同步。

互斥与同步的实现和使用

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

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。

根据锁的实现不同，可以分为「忙等待锁」和「无忙等待锁」。

忙等待锁

在说明「忙等待锁」的实现之前，先介绍现代 CPU 体系结构提供的特殊原子操作指令 —— 测试和置位（Test-and-Set）指令。

如果用 C 代码表示 Test-and-Set 指令，形式如下：

int TestAndSet(int *old_ptr,int new){int old=*old_ptr;*old_ptr=new;return old;
}

测试并设置指令做了下述事情:

int *old_ptr：指向某个共享变量（通常是锁变量）
int new：你想设置的新值（例如 1，表示“加锁”）

当然，关键是这些代码是原子执行。因为既可以测试旧值，又可以设置新值，所以我们把这条指令叫作「测试并设置」。

那什么是原子操作呢？原子操作就是要么全部执行，要么都不执行，不能出现执行到一半的中间状态我们可以运用 Test-and-Set 指令来实现「忙等待锁」，代码如下：

我们来确保理解为什么这个锁能工作：

第一个场景是，首先假设一个线程在运行，调用 lock()，没有其他线程持有锁，所以 flag 是 0。没有其他线程持有锁，所以 flag 是 0。没有其他线程持有锁，所以 flag 是 0。同时也会原子的设置flag 为1，标志锁已经被持有。当线程离开临界区，调用 unlock() 将 flag 清理为 0。
第二种场景是，当某一个线程已经持有锁（即 flag 为1）。本线程调用 lock()，然后调用TestAndSet(flag, 1)，这一次返回 1。只要另一个线程一直持有锁，TestAndSet() 会重复返回 1，本线程会一直忙等。当 flag 终于被改为 0，本线程会调用 TestAndSet()，返回 0 并且原子地设置为 1，从而获得锁，进入临界区。

很明显，当获取不到锁时，线程就会一直 while 循环，不做任何事情，所以就被称为「忙等待锁」，也被称为自旋锁（spin lock）。

这是最简单的一种锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。在单处理器上，需要抢占式的调度器（即不断通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

无等待锁

无等待锁顾明思议就是获取不到锁的时候，不用自旋。

既然不想自旋，那当没获取到锁的时候，就把当前线程放入到锁的等待队列，然后执行调度程序，把 CPU让给其他线程执行。

信号量

信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。

通常信号量表示资源的数量，对应的变量是一个整型（sem）变量。

另外，还有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量的，分别是：

P 操作：将 sem 减 1，相减后，如果 sem < 0，则进程/线程进入阻塞等待，否则继续，表明 P 操作可能会阻塞；
V 操作：将 sem 加 1，相加后，如果 sem <= 0，唤醒一个等待中的进程/线程，表明 V 操作不会阻塞；

P 操作是用在进入临界区之前，V 操作是用在离开临界区之后，这两个操作是必须成对出现的。

PV 操作的函数是由操作系统管理和实现的，所以操作系统已经使得执行 PV 函数时是具有原子性的。

PV 操作如何使用的呢

我们先来说说如何使用信号量实现临界区的互斥访问。

为每类共享资源设置一个信号量 s，其初值为 1，表示该临界资源未被占用。

任何想进入临界区的线程，必先在互斥信号量上执行 P 操作，在完成对临界资源的访问后再执行 V操作。由于互斥信号量的初始值为 1，故在第一个线程执行 P 操作后 s 值变为 0，表示临界资源为空闲，可分配给该线程，使之进入临界区。

若此时又有第二个线程想进入临界区，也应先执行 P 操作，结果使 s 变为负值，这就意味着临界资源已被占用，因此，第二个线程被阻塞。

并且，直到第一个线程执行 V 操作，释放临界资源而恢复 s 值为 0 后，才唤醒第二个线程，使之进入临界区，待它完成临界资源的访问后，又执行 V 操作，使 s 恢复到初始值 1。

对于两个并发线程，互斥信号量的值仅取 1、0 和 -1 三个值，分别表示：

如果互斥信号量为 1，表示没有线程进入临界区；
如果互斥信号量为 0，表示有一个线程进入临界区；
如果互斥信号量为 -1，表示一个线程进入临界区，另一个线程等待进入。

通过互斥信号量的方式，就能保证临界区任何时刻只有一个线程在执行，就达到了互斥的效果。

再来，我们说说如何使用信号量实现事件同步。

同步的方式是设置一个信号量，其初值为 0。

妈妈一开始询问儿子要不要做饭时，执行的是 P(s1) ，相当于询问儿子需不需要吃饭，由于 s1 初始值为 0，此时 s1 变成 -1，表明儿子不需要吃饭，所以妈妈线程就进入等待状态。

当儿子肚子饿时，执行了 V(s1)，使得 s1 信号量从 -1 变成 0，表明此时儿子需要吃饭了，于是就唤醒了阻塞中的妈妈线程，妈妈线程就开始做饭。

接着，儿子线程执行了 P(s2)，相当于询问妈妈饭做完了吗，由于 s2 初始值是 0，则此时 s2 变成-1，说明妈妈还没做完饭，儿子线程就等待状态。最后，妈妈终于做完饭了，于是执行 V(s2)，s2 信号量从 -1 变回了 0，于是就唤醒等待中的儿子线程，唤醒后，儿子线程就可以进行吃饭了。

生产者-消费者问题

生产者-消费者问题描述：

生产者在生成数据后，放在一个缓冲区中；
消费者从缓冲区取出数据处理；
任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区；

我们对问题分析可以得出：

任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
缓冲区空时，消费者必须等待生产者生成数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步。

那么我们需要三个信号量，分别是：

互斥信号量 mutex：用于互斥访问缓冲区，初始化值为 1；
资源信号量 fullBuffers：用于消费者询问缓冲区是否有数据，有数据则读取数据，初始化值为 0（表明缓冲区一开始为空）；
资源信号量 emptyBuffers：用于生产者询问缓冲区是否有空位，有空位则生成数据，初始化值为 n（缓冲区大小）；

如果消费者线程一开始执行 P(fullBuffers)，由于信号量 fullBuffers 初始值为 0，则此时fullBuffers 的值从 0 变为 -1，说明缓冲区里没有数据，消费者只能等待。

接着，轮到生产者执行 P(emptyBuffers)，表示减少 1 个空槽，如果当前没有其他生产者线程在临界区执行代码，那么该生产者线程就可以把数据放到缓冲区，放完后，执行 V(fullBuffers) ，信号量fullBuffers 从 -1 变成 0，表明有「消费者」线程正在阻塞等待数据，于是阻塞等待的消费者线程会被唤醒。

消费者线程被唤醒后，如果此时没有其他消费者线程在读数据，那么就可以直接进入临界区，从缓冲区读取数据。最后，离开临界区后，把空槽的个数 + 1。

经典同步问题

先来看看哲学家就餐的问题描述：

5 个老大哥哲学家，闲着没事做，围绕着一张圆桌吃面；
巧就巧在，这个桌子只有 5 支叉子，每两个哲学家之间放一支叉子；
哲学家围在一起先思考，思考中途饿了就会想进餐；
奇葩的是，这些哲学家要两支叉子才愿意吃面，也就是需要拿到左右两边的叉子才进餐；
吃完后，会把两支叉子放回原处，继续思考；

方案一

我们用信号量的方式，也就是 PV 操作来尝试解决它，代码如下：

上面的程序，好似很自然。拿起叉子用 P 操作，代表有叉子就直接用，没有叉子时就等待其他哲学家放回叉子。

不过，这种解法存在一个极端的问题：假设五位哲学家同时拿起左边的叉子，桌面上就没有叉子了，这样就没有人能够拿到他们右边的叉子，也就说每一位哲学家都会在 P(fork[(i + 1) % N ]) 这条语句阻塞了，很明显这发生了死锁的现象。

方案二

既然「方案一」会发生同时竞争左边叉子导致死锁的现象，那么我们就在拿叉子前，加个互斥信号量，代码如下：

上面程序中的互斥信号量的作用就在于，只要有一个哲学家进入了「临界区」，也就是准备要拿叉子时，其他哲学家都不能动，只有这位哲学家用完叉子了，才能轮到下一个哲学家进餐。

方案二虽然能让哲学家们按顺序吃饭，但是每次进餐只能有一位哲学家，而桌面上是有 5 把叉子，按道理是能可以有两个哲学家同时进餐的，所以从效率角度上，这不是最好的解决方案。

方案三

那既然方案二使用互斥信号量，会导致只能允许一个哲学家就餐，那么我们就不用它。

另外，方案一的问题在于，会出现所有哲学家同时拿左边刀叉的可能性，那我们就避免哲学家可以同时拿左边的刀叉，采用分支结构，根据哲学家的编号的不同，而采取不同的动作。

即让偶数编号的哲学家「先拿左边的叉子后拿右边的叉子」，奇数编号的哲学家「先拿右边的叉子后拿左边的叉子」。

上面的程序，在 P 操作时，根据哲学家的编号不同，拿起左右两边叉子的顺序不同。另外，V 操作是不需要分支的，因为 V 操作是不会阻塞的。

方案四

在这里再提出另外一种可行的解决方案，我们用一个数组 state 来记录每一位哲学家的三个状态，分别是在进餐状态、思考状态、饥饿状态（正在试图拿叉子）。

那么，一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时，才可以进入进餐状态。

第 i 个哲学家的左邻右舍，则由宏 LEFT 和 RIGHT 定义：

LEFT : ( i + 5 - 1 ) % 5
RIGHT : ( i + 1 ) % 5

具体代码实现如下：

上面的程序使用了一个信号量数组，每个信号量对应一位哲学家，这样在所需的叉子被占用时，想进餐的哲学家就被阻塞。

注意，每个进程/线程将 smart_person 函数作为主代码运行，而其他 take_forks、put_forks 和test 只是普通的函数，而非单独的进程/线程。

方案四同样不会出现死锁，也可以两人同时进餐。

读者-写者问题

前面的「哲学家进餐问题」对于互斥访问有限的竞争问题（如 I/O 设备）一类的建模过程十分有用。

另外，还有个著名的问题是「读者-写者」，它为数据库访问建立了一个模型。

读者只会读取数据，不会修改数据，而写者即可以读也可以修改数据。

读者-写者的问题描述：

「读-读」允许：同一时刻，允许多个读者同时读
「读-写」互斥：没有写者时读者才能读，没有读者时写者才能写
「写-写」互斥：没有其他写者时，写者才能写

方案一

使用信号量的方式来尝试解决：

信号量 wMutex：控制写操作的互斥信号量，初始值为 1 ；
读者计数 rCount：正在进行读操作的读者个数，初始化为 0；
信号量 rCountMutex：控制对 rCount 读者计数器的互斥修改，初始值为 1；

上面的这种实现，是读者优先的策略，因为只要有读者正在读的状态，后来的读者都可以直接进入，如果读者持续不断进入，则写者会处于饥饿状态。

方案二

那既然有读者优先策略，自然也有写者优先策略：

只要有写者准备要写入，写者应尽快执行写操作，后来的读者就必须阻塞；
如果有写者持续不断写入，则读者就处于饥饿；

在方案一的基础上新增如下变量

信号量 rMutex：控制读者进入的互斥信号量，初始值为 1；
信号量 wDataMutex：控制写者写操作的互斥信号量，初始值为 1；
写者计数 wCount：记录写者数量，初始值为 0；
信号量 wCountMutex：控制 wCount 互斥修改，初始值为 1；

注意，这里 rMutex 的作用，开始有多个读者读数据，它们全部进入读者队列，此时来了一个写者，执行了 P(rMutex) 之后，后续的读者由于阻塞在 rMutex 上，都不能再进入读者队列，而写者到来，则可以全部进入写者队列，因此保证了写者优先。

同时，第一个写者执行了 P(rMutex) 之后，也不能马上开始写，必须等到所有进入读者队列的读者都执行完读操作，通过 V(wDataMutex) 唤醒写者的写操作。

方案三

既然读者优先策略和写者优先策略都会造成饥饿的现象，那么我们就来实现一下公平策略。

公平策略：

优先级相同；
写者、读者互斥访问；
只能一个写者访问临界区；
可以有多个读者同时访问临界资源；

开始来了一些读者读数据，它们全部进入读者队列，此时来了一个写者，执行 P(falg) 操作，使得后续到来的读者都阻塞在 flag 上，不能进入读者队列，这会使得读者队列逐渐为空，即 rCount 减为 0。这个写者也不能立马开始写（因为此时读者队列不为空），会阻塞在信号量 wDataMutex 上，读者队列中的读者全部读取结束后，最后一个读者进程执行 V(wDataMutex)，唤醒刚才的写者，写者则继续开始进行写操作。