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1.线程同步

1.同步概念与竞态条件

• 同步： 在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题
• 竞态条件： 因为时序问题，而导致程序异常
• 单独使用互斥容易导致饥饿问题，为了解决此问题引入了同步：
  • 首先需要明确的是，单纯的加锁是会存在某些问题的，如果个别线程的竞争力特别强，每次都能够申请到锁，但申请到锁之后什么也不做
    • 在我们看来这个线程就一直在申请锁和释放锁
    • 这就可能导致其他线程长时间竞争不到锁，引起饥饿问题
  • 单纯的加锁是没有错的，它能够保证在同一时间只有一个线程进入临界区，但它没有高效的让每一个线程使用这份临界资源
  • 现在增加一个规则，当一个线程释放锁后，这个线程不能立马再次申请锁，该线程必须排到这个锁的资源等待队列的最后
  • 增加这个规则之后，下一个获取到锁的资源的线程就一定是在资源等待队列首部的线程
    • 如果有十个线程，此时就能够让这十个线程按照某种次序进行临界资源的访问

2.条件变量

• 条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，条件变量是用来描述某种资源是否就绪的一种数据化描述
• 条件变量主要包括两个动作
  • 一个线程等待条件变量的条件成立而被挂起
  • 另一个线程使条件成立后唤醒等待的线程
• 条件变量通常需要配合互斥锁一起使用
• 条件变量使唤醒线程由 系统唤醒 --> 让程序员自己唤醒线程

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2.条件变量函数

1.初始化 – pthread_cond_init()

• 静态分配：
  • pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER
• 动态分配：
  • 原型：int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
  • 参数：
    • **cond：**需要初始化的条件变量
    • **attr：**初始化条件变量的属性，一般设置为nullptr即可
  • **返回值：**成功返回0，失败返回错误码

2.销毁 – pthread_cond_destroy()

• 原型：int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
• 参数：
  • cond**：**需要销毁的条件变量
• **返回值：**成功返回0，失败返回错误码
• 注意：使用PTHREAD_COND_INITIALIZER初始化的条件变量不需要销毁

3.等待条件变量 – pthread_cond_wait()

• 原型：int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
• 参数：
  • cond**：**需要等待的条件变量
  • mutex**：**当前线程所处临界区对应的互斥锁
• **返回值：**成功返回0，失败返回错误码
• 注意：wait一定要在加锁和解锁之间进行wait！

4.唤醒等待

• 原型：int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
  • **功能：**唤醒等待队列中的全部线程
• 原型：int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
  • **功能：**唤醒等待队列中的首个线程
• 参数：
  • **cond：**需要等待的条件变量
• **返回值：**成功返回0，失败返回错误码

5.为什么pthread_cond_wait()需要互斥量？

• 条件等待是线程间同步的一种手段，如果只有一个线程，条件不满足，一直等下去都不会满足
  • 所以必须要有一个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程
• 条件不会无缘无故的突然变得满足，必然会牵扯到共享数据的变化
  • 所以一定要用互斥锁来保护
  • 没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据
• 当线程进入临界区时需要先加锁，然后判断内部资源的情况
  • 若不满足当前线程的执行条件，则需要在该条件变量下进行等待
  • 但此时该线程是拿着锁被挂起的，也就意味着这个锁再也不会被释放了，此时就会发生死锁问题
• 所以在调用pthread_cond_wait函数时，还需要将对应的互斥锁传入
  • 此时当线程因为某些条件不满足需要在该条件变量下进行等待时，就会自动释放该互斥锁
• 当该线程被唤醒时，该线程会接着执行临界区内的代码，此时便要求该线程必须立马获得对应的互斥锁
  • 因此当某一个线程被唤醒时，实际会自动获得对应的互斥锁
• 总结：
  • 等待条件满足的时候往往是在临界区内等待的
    • 当该线程进入等待的时候，互斥锁会自动释放
    • 而当该线程被唤醒时，又会自动获得对应的互斥锁
  • 条件变量需要配合互斥锁使用，其中条件变量是用来完成同步的，而互斥锁是用来完成互斥的
  • pthread_cond_wait函数有两个功能，一就是让线程在特定的条件变量下等待，二就是让线程释放对应的互斥锁

6.错误的程序设计

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition_is_false)
{pthread_mutex_unlock(&mutex);// 解锁之后，等待之前，条件可能已经满足，信号已经发出，但是该信号可能被错过pthread_cond_wait(&cond);pthread_mutex_lock(&mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 由于解锁和等待不是原子操作。调用解锁之后， pthread_cond_wait之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，摒弃条件满足，发送了信号
  • 那么pthread_cond_wait将错过这个信号，可能会导致线程永远阻塞在这个pthread_cond_wait
  • 所以解锁和等待必须是一个原子操作
• 实际进入pthread_cond_wait()后，会先判断条件变量是否等于0
  • 等于0则说明不满足，此时会先将对应的互斥锁解锁 --> 互斥量变成1
  • 直到函数返回时再将条件变量改为1，并将对应的互斥锁加锁 --> 互斥量变为0

7.条件变量使用规范

• 等待条件代码
  • 为什么使用while循环？ --> 怕发生虚假唤醒

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (条件为假）pthread_cond_wait(cond, mutex);
修改条件
pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 给条件发送信号代码

pthread_mutex_lock(&mutex);
设置条件为真
pthread_cond_signal(cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

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3.生产者消费者模型

1.基本概念

• 生产者消费者模式就是通过一个容器(阻塞队列)来解决生产者和消费者的强耦合问题
• 生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过这个容器来通讯
  • 所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接将生产的数据放到这个容器当中
  • 消费者也不用找生产者要数据，而是直接从这个容器里取数据
  • 这个容器就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力
  • 这个容器实际上就是用来给生产者和消费者解耦的
• 让消费者和生产者协同工作，合适的时候可能一直运行
  • 生产者和消费者并不会因为要互相等待对方的结果而阻塞，相当于双方可以并发执行
    

2.模型特点

• 总结为321原则
  • 3种关系：
    • 生产者和生产者(互斥关系)
    • 消费者和消费者(互斥关系)
    • 生产者和消费者(互斥关系、同步关系)
  • 2****种角色： 生产者和消费者
  • 1****个场所： 通常指的是内存中的一段缓冲区
• 注意：
  • 互斥关系保证的是数据的正确性
  • 同步关系是为了让多线程之间协同起来
• 编写生产者消费者模型的时候，本质就是对这三个特点进行维护

3.思考问题

• 生产者和生产者、消费者和消费者、生产者和消费者，它们之间为什么会存在互斥关系？

  • 介于生产者和消费者之间的容器可能会被多个执行流同时访问，因此我们需要将该临界资源用互斥锁保护起来
  • 其中，所有的生产者和消费者都会竞争式的申请锁，因此生产者和生产者、消费者和消费者、生产者和消费者之间都存在互斥关系

• 生产者和消费者之间为什么存在同步关系？

  • 如果让生产者一直生产，那么当生产者生产的数据将容器塞满后，生产者再生产数据就会生产失败。
  • 反之，让消费者一直消费，那么当容器当中的数据被消费完后，消费者再进行消费就会消费失败。
  • 虽然这样不会造成任何数据不一致的问题，但是这样会引起另一方的饥饿问题，是非常低效的
    • 应该让生产者和消费者访问该容器时具有一定的顺序性，比如让生产者先生产，然后再让消费者进行消费

• 为什么要有生产者消费者模型？

  • 本质是用代码进行解耦的过程

4.模型优点

• 解耦
• 支持并发
• 支持忙闲不均 --> 哪边的线程忙可以多分配一些线程
• 如何理解解耦？
  • 如果在主函数中调用某一函数，那么必须等该函数体执行完后才继续执行主函数的后续代码，因此函数调用本质上是一种紧耦合
  • 对应到生产者消费者模型中，函数传参实际上就是生产者生产的过程，而执行函数体实际上就是消费者消费的过程，但生产者只负责生产数据，消费者只负责消费数据，在消费者消费期间生产者可以同时进行生产，因此生产者消费者模型本质是一种松耦合

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4.基于BlockingQueue的生产者消费者模型

1.基本概念

• 在多线程编程中阻塞队列(Blocking Queue)是一种常用于实现生产者和消费者模型的数据结构
• 其与普通的队列区别：
  • 当队列为空时，从队列获取元素的操作将会被阻塞，直到队列中被放入了元素
  • 当队列满时，往队列里存放元素的操作也会被阻塞，直到有元素被从队列中取出
    

2.注意点

• 判断是否满足生产消费条件时不能用if，而应该用while
  • pthread_cond_wait函数是让当前执行流进行等待的函数，是函数就意味着有可能调用失败，调用失败后该执行流就会继续往后执行，就会出现错误(没有数据还拿，没有空间还放)。
  • 在多消费者的情况下，当生产者生产了一个数据后如果使用pthread_cond_broadcast函数唤醒消费者，就会一次性唤醒多个消费者，但待消费的数据只有一个，此时其他消费者就被伪唤醒了。
  • 为了避免出现上述情况，就要让线程被唤醒后再次进行判断，确认是否真的满足生产消费条件
    • 因此这里必须要用while进行判断