多线程互斥抢票问题及其解决方案
在多线程编程中，处理共享资源时可能会遇到互斥问题。让我们深入探讨一下这个问题，并通过一个具体的抢票场景来理解和解决它。
多线程抢票问题
假设我们有1000张火车票，四个线程同时在抢票。代码如下：
#include "Thread.hpp"int tickets = 1000; // 票数void thread_run(void args) {string name = static_cast(args);while(true) {if(tickets > 0) {usleep(1234); // 1秒=1000毫秒=1000000微秒cout << name << "抢到票, 票数为: " << tickets-- << endl;} else {break;}}return nullptr;}
int main() {unique_ptr thread1(new Thread(thread_run, (void)"user1",1));unique_ptr thread2(new Thread(thread_run, (void)"user2",2));unique_ptr thread3(new Thread(thread_run, (void)"user3",3));unique_ptr thread4(new Thread(thread_run, (void)"user4",4));thread1->join();thread2->join();thread3->join();thread4->join();return 0;}
问题分析
运行上述代码时，可能会看到票数出现0、-1、-2等负数的情况。这是由于多线程并发访问共享资源（票数）时，导致的数据竞争和不一致性。
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多线程交叉执行的本质是调度器频繁切换线程。线程切换可能在以下几种情况发生：
时间片用完更高优先级线程就绪线程进入等待状态
线程在从内核态切换到用户态时，会检测调度状态并可能进行线程切换。
原因解析
在读取和修改共享变量ticket的过程中，由于线程切换，可能会发生以下情况：
读取到寄存器：线程1读取票数到CPU寄存器中。判断和修改：如果在判断和修改之间发生线程切换，其他线程也可能读取到同样的票数，导致多个线程同时减少票数。
例如，假设四个线程同时读取到票数为1，然后线程1将票数减少到0并打印，之后其他线程也尝试减少票数，导致票数变成负数。
解决方案：使用互斥锁
为了解决上述问题，我们可以使用互斥锁来确保在修改共享资源时，只有单个线程能够访问。
使用全局锁
#include "Thread.hpp"int tickets = 1000; // 票数pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 全局锁void thread_run(void args) {string name = static_cast(args);while(true) {pthread_mutex_lock(&lock); // 加锁if(tickets > 0) {usleep(1234); // 1秒=1000毫秒=1000000微秒cout << name << "抢到票, 票数为: " << tickets-- << endl;} else {pthread_mutex_unlock(&lock);break;}pthread_mutex_unlock(&lock); // 解锁}return nullptr;}
int main() {unique_ptr thread1(new Thread(thread_run, (void)"user1",1));unique_ptr thread2(new Thread(thread_run, (void)"user2",2));unique_ptr thread3(new Thread(thread_run, (void)"user3",3));unique_ptr thread4(new Thread(thread_run, (void)"user4",4));thread1->join();thread2->join();thread3->join();thread4->join();return 0;}
使用全局锁后，线程在进入临界区时会加锁，离开时解锁，确保了票数的正确性。然而，由于线程串行执行，速度可能会变慢。
使用局部锁和线程数据
为了进一步优化，我们可以使用局部锁和线程数据来管理每个线程的抢票过程：
#include "Thread.hpp"int tickets = 1000; // 票数class ThreadData {public:ThreadData(const string& threadname, pthread_mutex_t mutex_p) : _threadname(threadname), _mutex_p(mutex_p) {}~ThreadData() {}public:string _threadname;pthread_mutex_t _mutex_p;};
void thread_run(void args) {ThreadData p = static_cast<ThreadData>(args);while(true) {pthread_mutex_lock(p->_mutex_p); // 加锁if(tickets > 0) {usleep(1234); // 1秒=1000毫秒=1000000微秒cout <_threadname << "抢到票, 票数为: " << tickets-- <_mutex_p);break;}pthread_mutex_unlock(p->_mutex_p); // 解锁usleep(1234); // 模拟抢完票形成一个订单}return nullptr;}
int main() {pthread_mutex_t lock;pthread_mutex_init(&lock, nullptr); // 初始化锁vector arr(4);for(int i = 0; i < 4; i++) {string thread_name = "user" + to_string(i + 1);ThreadData* data = new ThreadData(thread_name, &lock);pthread_create(&arr[i], nullptr, thread_run, data);}for(int i = 0; i < 4; i++) {pthread_join(arr[i], nullptr);}return 0;}
锁的背景概念
临界资源：多线程共享的资源。临界区：访问临界资源的代码段。互斥：确保同一时间只有一个线程访问临界资源。原子性：操作要么完成，要么不完成，不会被打断。
锁的使用和原理
锁本身是共享资源，用于保护其他共享资源。pthread_mutex_lock和pthread_mutex_unlock是原子操作，确保锁的安全性。
加锁和解锁的原理基于交换指令（如swap或exchange），确保原子性。
锁的封装
为了兼容C++，我们可以封装锁的接口：
#pragma onceinclude
include
include
include
include
include
include
include
include
using namespace std;
class Mutex {public:Mutex(pthread_mutex_t lock_p = nullptr) : _lock_p(lock_p) {}void lock() { if(_lock_p) pthread_mutex_lock(_lock_p); }void unlock() { if(_lock_p) pthread_mutex_unlock(_lock_p); }~Mutex() {}private:pthread_mutex_t _lock_p;};
class LockGuard {public:LockGuard(pthread_mutex_t *mutex) : _mutex(mutex) { _mutex.lock(); }~LockGuard() { _mutex.unlock(); }private:Mutex _mutex;};
使用LockGuard可以实现RAII风格的自动加锁和解锁：
#include "Thread.hpp"include "Mutex.hpp"
int tickets = 1000; // 票数
class ThreadData {public:ThreadData(const string& threadname, pthread_mutex_t mutex_p) : _threadname(threadname), _mutex_p(mutex_p) {}~ThreadData() {}public:string _threadname;pthread_mutex_t _mutex_p;};
void thread_run(void args) {ThreadData p = static_cast<ThreadData>(args);LockGuard lockGuard(p->_mutex_p); // 自动加锁解锁while(true) {if(tickets > 0) {usleep(1234); // 1秒=1000毫秒=1000000微秒cout <_threadname << "抢到票, 票数为: " << tickets-- << endl;} else {break;}}return nullptr;}
int main() {pthread_mutex_t lock;pthread_mutex_init(&lock, nullptr); // 初始化锁vector arr(4);for(int i = 0; i < 4; i++) {string thread_name = "user" + to_string(i + 1);ThreadData* data = new ThreadData(thread_name, &lock);pthread_create(&arr[i], nullptr, thread_run, data);}for(int i = 0; i < 4; i++) {pthread_join(arr[i], nullptr);}return 0;}
线程安全与可重入
线程安全：多线程并发执行同一段代码时，结果一致。可重入：函数在被不同执行流调用时，结果不受影响。
死锁
死锁是指多个线程因互相等待对方释放资源而陷入永久等待的状态。死锁的四个必要条件是：
互斥：资源只能被一个线程占用。持有并等待：一个线程在持有资源的同时等待其他资源。不可剥夺：资源不能被强制从一个线程转移到另一个线程。循环等待：存在一个线程等待链，形成循环。
避免死锁的策略包括：
避免同时申请多个锁。使用锁的申请顺序。避免长时间持有锁。
总之，多线程编程中的互斥问题可以通过使用锁来解决，但需要注意锁的使用可能会导致性能下降和死锁问题。
以上就是Linux——多线程互斥的详细内容，更多请关注创想鸟其它相关文章！
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