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一、相关背景概念

• 临界资源：多执行流共享的资源就叫做临界资源。
• 临界区：执行流访问临界资源的代码。
• 互斥：本质就是任何时刻，只允许一个执行流访问共享资源（保护共享资源免受并发访问的影响）
• 原子性：指的是一个操作是不可中断的，只有两种状态：要么执行完毕，要么没有执行。没有正在执行这一说法。

以上概念均在往期博客说过：点击跳转

二、多线程的并发访问

2.1 前言

线程使用的数据都是局部变量，变量存储在线程的独立栈空间内。这种情况，变量归属单个线程，其他线程无法获得这种变量（其实也可以获取，只是不这么做而已）。

但有时候，很多变量都需要在线程间共享，这样的变量称为共享资源。那现在就会有一个问题：这个共享资源在被多线程并发访问的时候（并发访问：指的是系统能够同时处理多个任务），有没有可能出现一个线程正在访问，另一个线程正在写呢？

答案是当然有可能！比方说有一个电影院，里面有多个售票窗口。每个窗口（线程）可以同时处理多个观众（任务），这些观众都想购买电影票。如果所有售票窗口都能够同时处理售票请求（并发访问），可能会出现多个观众同时选择同一张座位。

即多线程的可能会导致线程读取到不一致或者不正确的值，或者写入线程的修改被读取线程所干扰，造成数据污染或者逻辑错误。

接下来引入一个日常生活例子：买票。来帮助大家更好理解这一现象。

2.2 例子引入：买票

以下是用多线程来模拟用户买票。有1000张票和4个线程，4个线程同时抢票。

其中规定：

• 票的编号代表座位号。即一个影院厅做多有1000个位置。不考虑特殊情况，如婴儿家长手抱等。
• 票数为0表示票已经售完了。

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>using namespace std;int tickets = 1000;  // 1000张票
#define THREAD_NUM 4 // 4个售票窗口class threadData
{
public:threadData(int number){threadname = "thread-" + to_string(number);}public:string threadname;
};void *getTicket(void *args)
{threadData *td = static_cast<threadData *>(args);const char *name = td->threadname.c_str();while (true){// 有票就抢if (tickets > 0){printf("who = %s, get a ticket: %d\n", name, tickets);--tickets;}else{break;}}printf("%s ... quit\n", name);return nullptr;
}int main()
{vector<pthread_t> tids;vector<threadData *> thread_datas;for (int i = 1; i <= THREAD_NUM; i++){pthread_t tid;threadData *td = new threadData(i);thread_datas.push_back(td);pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, thread_datas[i - 1]);tids.push_back(tid);}for (auto thread : tids){pthread_join(thread, nullptr);}for (auto td : thread_datas){delete td;}return 0;
}

【程序结果】

如果，一个卖票程序出现了4种不同情况，这不是搞嘛。显然多线程并发访问是绝对存在问题的！

2.3 解释多线程并发访问的问题

全局变量tickets是所有线程的共享数据，这个共享数据在被多线程并发读写时，并没有我们期望的那样，而这种情况我们称数据在无保护的情况下，造成数据不一致问题。这个数据不一致的原因肯定和多线程并发访问是有关系的。

其中，每个线程无非就是判断线程是否有票，有票就做--操作。然而对一个临界资源（共享资源）进行多线程并发访问，--操作是不安全的（++操作同理）。

注意：从直观上看，--是由一条语句完成的，但其实并不是！通过翻译成反汇编是三条

步骤如下：

1. 先将tickets从内存读入到CPU的寄存器中。
2. 再在CPU内部对其进行--操作 。
3. 最后将计算完成的结果写回内存中。

而CPU再执行这三条语句的过程中，线程都有可能被切换走，即一个线程执行--操作时，可能会在中间被暂停，而另一个线程开始执行。

• 线程被切换的时候，需要保存寄存器上下文。

• 线程被换回的时候，需要恢复寄存器上下文。

• 寄存器上下文：当操作系统切换执行不同的执行时，它会保存当前执行流的寄存器状态，包括程序计数器PC和其他寄存器的内容。这些信息会被保存在用户级线程控制块中。当线程再次被调度执行时，之前保存的寄存器状态会被恢复，使得线程可以从上次中断的地方继续执行。

• 注意：虽然线程共享进程地址空间，但它也有自己栈空间、寄存器等（最重要的就是这两个）。

举个例子：

• 线程1正在在执行--tickets的任务，且初始时tickets为1000。当tickets在寄存器已经计算一次完毕，即tickets = 9999，准备将计算的结果写回内存的时候，此时发生了线程切换（由线程1切至线程1）。线程1要保存寄存器的上下文，此时寄存器里的值9999。
• 接下来，线程2也要执行--tckets的任务，且线程2运气非常好，它运行过程中没有发生线程切换，因此可以不断循环此--操作（读到寄存器，计算，返回结果）。但是，当tickets自减到11的时候，再次--，读取寄存器，自减到10，准备将结果写回内存的时候，线程2被切走了。同样的，线程2将数据值10保存自己的上下文数据。注意此时内存中tickets的数据是11，而不是10。
• 线程1被切回来了，需要恢复上下文（999重新读回CPU的寄存器里），然后从上次切换的地方继续执行，即将计算结果999写回内存。此时内存中tickets由11变成了999。
• 明明票还剩下11张（编号[1,11]的位置），这下可好，999又可以被别人买了。

因此，上述就是典型的数据不一致问题！所以，--操作不是原子的，或者可以说--操作对多线程访问临界资源是不安全的。

另外，不只--会出现数据不一致的问题，判断tickets > 0时也同样会出现数据不一致。

常识告诉我们：购票需要时间，买票成功后也需要时间，这里通过usleep函数模拟耗费时间。

【关键代码段】

void *getTicket(void *args)
{threadData *td = static_cast<threadData *>(args);const char *name = td->threadname.c_str();while (true){// 有票就抢if (tickets > 0){usleep(1000); // 抢票花的时间printf("who = %s, get a ticket: %d\n", name, tickets);--tickets;}else{break;}}printf("%s ... quit\n", name);return nullptr;
}

【程序结果】

解释如下：

• 判断的过程也是一种运算（逻辑运算）。CPU内部进行的运算分为两类：逻辑运算、算术运算。因此在判断的时候还是要将数值写入到寄存器中。

• 现假设tickets的值为1，此时线程1执行if判断，此步骤同样需要在CPU内的寄存器执行，tickets == 1 > 0，判断后准备把返回结果正好发生线程切换（由线程1切至线程2）。此时ticket在内存中的值是1。

• 线程2也要执行if判断，把1从内存读到CPU寄存器里判断，发现tickets == 1 > 0，判断后返回结果到内存，随后执行--tickets语句，计算后把结果0返回至内存。

• 此时线程切换回至线程1，线程1继续执行未完成的--tickets语句，这次是将tickets == 0去自减，计算后把结果-1返回至内存。

这就是为什么买票结果为负数的原因了。

能够出现数据不一致的问题本质还是线程切换过于频繁。而线程切换的场景如下：

• 时间片：大多数操作系统使用时间片轮转调度算法来分配处理器时间。当一个线程的时间片用完（通常是几毫秒到几十毫秒），操作系统会暂停该线程的执行，并将处理器分配给另一个准备好的线程。

• 线程阻塞：当线程执行过程中发生阻塞（以上就是线程阻塞现象），操作系统会将该线程标记为不可执行状态，并在条件满足后唤醒它，这时可能会进行线程切换。

• 系统调用：当线程需要执行系统调用，操作系统可能会暂停当前线程，处理器会从用户态切换到内核态来执行操作系统的代码，这通常需要进行线程切换。

如何解决多线程访问临界资源导致数据不一致问题呢？

对于共享数据（临界资源）的访问，只要确保：任何时候只有一个执行流可以访问临界资源，即保证--的行为是原子的。在技术层面上，可以通过加锁进行保护，Linux上提供的这把锁叫互斥锁。

三、Linux互斥锁相关接口

3.1 前言

• 在Linux系统中，互斥锁相关的接口函数同样位于原生线程库pthread中，函数名通常以pthread_mutex_ 开头。
• 互斥锁相关的接口函数的参数均有用到pthread_mutex_t类型，这是原生线程库pthread封装的，开发者通常不需要知道其内部结构的细节，只需使用提供的函数接口进行操作即可。
• 这些函数用于创建、销毁、锁定（加锁）、解锁互斥锁等操作，确保多线程程序中的共享资源可以安全访问，避免数据不一致的发生。

3.2 初始化互斥锁

初始化互斥锁有两种方法：

• 方法一：静态分配。

使用静态分配时，互斥锁必须定义为全局锁，并且可以直接通过初始化变量来完成。它是通过使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER宏来静态初始化一个互斥锁变量。

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

注意：对于静态分配的互斥锁对象，是不需要显式调用pthread_mutex_destroy函数来销毁它。静态分配的互斥锁会在程序结束时自动释放其资源，因为它们的生命周期与程序的生命周期相同。

• 方法二：动态分配。需要通过pthread_mutex_init函数来进行初始化。

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
// 定义一把互斥锁
pthread_mutex_t lock;
// 初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&lock, nullptr)

说明：

• mutex：是一个指向pthread_mutex_t结构的指针，用来表示要初始化的互斥锁对象。
• attr：是一个指向pthread_mutexattr_t结构的指针，用来指定互斥锁的属性。一般直接设置为nullptr，表示使用默认属性。
• 返回值：成功返回0，失败返回错误码。

3.3 销毁互斥锁

互斥锁是一种向系统申请的资源，在使用完毕后需要销毁。

#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

说明：

• mutex：指向要销毁的互斥锁对象的指针，类型为pthread_mutex_t*。
• 返回值：销毁成功返回0，失败返回非0的错误码。

销毁互斥锁需要注意：

1. 使用PTHREAD_ MUTEX_ INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁。
2. 不再需要互斥锁时，需要显式地调用pthread_mutex_destroy函数来释放其占用的资源。这是为了避免内存泄漏和资源浪费。
3. 调用pthread_mutex_destroy时，确保没有其他线程正在使用该互斥锁，否则会导致未定义的行为。可以在线程等待后调用即可。
4. 不能重复销毁互斥锁。

【修改买票代码（核心代码）】

int main()
{// ======== 定义互斥锁  ======pthread_mutex_t lock;// ======== 初始化互斥锁 ======pthread_mutex_init(&lock, nullptr);vector<pthread_t> tids;vector<threadData *> thread_datas;for (int i = 1; i <= THREAD_NUM; i++){pthread_t tid;// 使不同线程看到同一把锁threadData *td = new threadData(i, &lock);thread_datas.push_back(td);pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, thread_datas[i - 1]);tids.push_back(tid);}for (auto thread : tids){pthread_join(thread, nullptr);}for (auto td : thread_datas){delete td;}// ===== 销毁互斥锁 =====pthread_mutex_destroy(&lock);return 0;
}

注意：对于多线程来说，应该让线程看到同一把锁。即要将在main函数定义的锁传给线程所执行的函数getTicket

class threadData
{
public:threadData(int number, pthread_mutex_t *mutex){threadname = "thread-" + to_string(number);lock = mutex;}public:string threadname;pthread_mutex_t *lock;
};

3.4 加锁操作

加锁操作保证了多个线程不会同时进入被保护的临界区，从而避免了数据不一致问题。即如果某个线程成功获取了互斥锁，它将可以独自并安全地访问共享资源或者临界区。

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

说明：

• mutex：指向要锁定的互斥锁对象的指针，类型为pthread_mutex_t*。
• 返回值：成功返回0，失败返回一个非零的错误码，可以通过errno全局变量获取具体的错误信息。

注意：虽然加锁解决了数据一致性问题，但天下没有免费的午餐，当调用pthread_mutex_lock时，如果互斥锁已经被线程A持有，表示当前只有线程A可以访问临界区。若并发访问的线程B也要访问临界区，那么线程B将会被阻塞，直到该互斥锁被解锁为止，即等待锁资源就绪。

【总结】

• 加锁的表现：线程对于临界区代码串行执行。即只有一个线程访问完共享资源，另一个线程才能访问。相当于食堂排队打饭。
• 加锁的原则：尽量保证临界区代码越少越好。因为线程都是并发访问的，如果阻塞的时间变长，则会降低多线程的并发度，进而降低效率。
• 加锁的本质：用时间换安全。

3.5 解锁操作

#include <pthread.h>int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

说明：

• mutex：指向要解锁的互斥锁对象的指针，类型为pthread_mutex_t*。
• 返回值：如果成功返回值0，如果失败返回一个非零的错误码，可以通过errno全局变量获取具体的错误信息。

说明：当前线程获取锁资源并完成对临界资源的访问后，就应该进行解锁，将锁资源让出，供其他线程进行加锁。 如果不进行解锁操作，会导致后续线程无法申请到锁资源而永久阻塞，会引发死锁问题。

四、改进售票系统

使用以上接口改进售票系统。

4.1 代码改进

【改进前】

【改进后】

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <vector>
#include <string>
#include <unistd.h>using namespace std;int tickets = 1000;  // 1000张票
#define THREAD_NUM 4 // 4个售票窗口class threadData
{
public:threadData(int number, pthread_mutex_t *mutex){threadname = "thread-" + to_string(number);lock = mutex;}public:string threadname;pthread_mutex_t *lock;
};void *getTicket(void *args)
{threadData *td = static_cast<threadData *>(args);const char *name = td->threadname.c_str();while (true){// 加锁pthread_mutex_lock(td->lock); // 线程申请锁资源，申请成功执行，失败则阻塞// ==================== 临界区 =====================if (tickets > 0) // 有票就抢{usleep(1000); // 抢票花的时间printf("who = %s, get a ticket: %d\n", name, tickets);--tickets;// 解锁pthread_mutex_unlock(td->lock);}else{// 解锁pthread_mutex_unlock(td->lock);break;}// ==================== 临界区 =====================}printf("%s ... quit\n", name);return nullptr;
}int main()
{// ======== 定义互斥锁  ======pthread_mutex_t lock;// ======== 初始化互斥锁 ======pthread_mutex_init(&lock, nullptr);vector<pthread_t> tids;vector<threadData *> thread_datas;for (int i = 1; i <= THREAD_NUM; i++){pthread_t tid;threadData *td = new threadData(i, &lock);thread_datas.push_back(td);pthread_create(&tid, nullptr, getTicket, thread_datas[i - 1]);tids.push_back(tid);}for (auto thread : tids){pthread_join(thread, nullptr);}for (auto td : thread_datas){delete td;}// ===== 销毁互斥锁 =====pthread_mutex_destroy(&lock);return 0;
}

【程序结果】

测试了三次，我们发现已经没有数据不一致的问题了。但是为什么都是一个执行流（线程）在买票？

在多线程环境下，如果一个线程执行完临界区的代码后立即解锁，并且其他线程正在被阻塞，等待获取这个锁，那么操作系统需要进行调度，以决定哪个线程将会获得这个锁。这个过程可能涉及线程的唤醒和重新调度，而这些操作通常是有成本的，包括上下文切换和调度延迟。因此，每次申请到锁资源的线程都是第一次获取锁资源的线程。

【故事1】

• 就好比方说，有一个无人监管VVIP自习室，只能有一个人在里面学习。所以，为了保证任何时刻只能有一个人进来，大家都要遵守一个规则：门口有一把锁，谁获得这个锁资源，谁就有资格在里面学习。
• 有一天你起的很早，当你来到自习室门口发现门旁有锁，于是你就把锁带进去了。当下一个同学来的时候，发现门旁没有锁，就只能在外面等待。突然某一个时刻，你饿了，想去食堂干饭。你刚刚出门准备把钥匙放回门旁，发现门外50m有一堆同学正在等待，为了能独享这个自习室，你就赶快拿回钥匙回到自习室了，然后自习从早到晚。 那么自习室外的这批人因为长时间得不到锁资源，导致了饥饿问题。
• 因此，在多线程环境中，如果某个线程长时间占用了关键资源，其他线程可能因为无法获得资源而长时间等待，甚至导致饥饿问题。

这种情况下，为了公平和效率，需要考虑资源分配的策略。学校再次规定：自习室外面的人（等待线程）必须排队，并且出来的人不能立马重新申请锁，必须排到队列的尾部。这种让所有同学（线程）获取锁按照一定的顺序获取资源，我们称为同步。

所以，我们可以在每次抢完票以后等待一会（排队），让其他线程有机会申请锁资源。

【程序结果】

每一个线程在访问临界资源前，都必须得干一件事：申请锁来保证当前临界资源只有一个执行流在访问。但锁本身也是临界资源（共享资源），保护别人的前提是先保护自己，那么谁来保证锁的安全呢？

因此，库的设计者也考虑到了这个问题，于是将锁这种临界资源进行了特殊化处理：加锁和解锁操作都是原子的，即不会被中断或被其他线程干扰，有且只有一个线程能得到锁资源。

至于是如何做到的，在【互斥锁的原理】中讲解。点击跳转

现在又有一个问题：加了锁之后，在临界区中，已经保证了一个线程具有执行临界资源的能力，那么在执行的过程中，该线程有没有被切换的可能？

答案是有可能被切换！那可能就有就有疑问：切换了不就不能保证--操作是原子的。再次引入上面的故事

【故事2】
第二天，又是你第一个到达自习室的门口，你拿到锁就进去自习了，而后面陆陆续续来的同学只能在门口等待。但天不测风云，人有三急，此时此刻你的肚子非常疼，而你又不想失去锁。于是你就突发奇想：我直接把锁放在升上一起去上厕所不就完事了。即便自习室空无一人，但其他同学也无法进入自习室！因为他们没有锁。

你上厕所带着锁的行为可以看作：线程在持有锁资源的情况下被调度了。显然对于整体程序是没有影响的，因为锁自此自终都还在某一个线程上，持有锁的线程在操作系统调度器的管理下可能会被暂时挂起，即使发生线程切换，因为该线程没有锁，也就没有执行临界资源的权利。

4.3 总结一波

• 在多线程环境下，通过使用互斥锁来控制临界区的访问，保证任何时刻只有一个执行流访问临界资源，而且必须让所有线程看到的是同一把锁。
• 每一个线程访问临界区资源之前都要加锁，本质上是给临界区加锁。
• 加锁和解锁必须配套出现，并且它们的操作都是原子的。
• 线程在持有锁的情况下被切换是没有影响的。
• 当某个线程持有锁资源时，其他线程并不关心持有锁的线程的执行状态，而是关心该锁是否被释放。这种机制确保了临界区内的操作对其他线程来说是原子的（要么执行完毕，要么没有执行）。

【题外话】
只要解决方案的出现，必然会产生新的问题：解决并发度（描述了系统或程序同时处理多少个独立任务或操作的能力）问题，引入多线程，但同时产生了并发访问的问题（数据不一致），随后又引入了锁。

五、互斥锁的实现原理

为了实现互斥锁操作，如今大多数CPU的体系结构（如ARM、X86、AMD等）都提供了一些特定的硬件操作指令，如swap或exchange指令，这种指令可以把寄存器和内存单元的数据直接交换，这些语句在执行时只需要一条CPU指令来完成（在汇编或者底层机器语言）。该语句要么执行，要么不执行，只有两态，因此可以保证指令执行时的原子性。

下面来看加锁函数pthread_mutex_lock和解锁函数pthread_mutex_unlock的伪汇编代码：

其中movb表示转移，al是一个寄存器，xchgb就是支持原子操作的exchange交换语句。另外，大家可以将锁mutex理解成内存中的一个整型变量，1代表当前有锁资源，反之没有。

每个线程申请锁时都要执行上述语句，执行步骤如下：

1. movb $0，%al：将0加载到寄存器al中。
2. xchgb %al，mutex：交换al寄存器和内存中mutex的值。
3. 最后判断al寄存器中的值是否大于0。若大于0则申请锁成功，此时就可以进入临界区访问对应的临界资源；否则申请锁失败需要被挂起等待，直到锁被释放后再次竞争申请锁。

---

吸取了--操作的经验，我们发现多个线程在执行加锁函数pthread_mutex_lock也有可能会发生线程切换。那么申请锁资源不是也会导致数据不一致的问题吗？答案是不会的，因为我们一开始在上面说过，加锁和解锁的操作一定是原子。

大家只要在纸上模拟一遍就可以证明出来了

因此，加锁操作和解锁之所以是原子的，主要依赖于CPU的指令集是原子的（如xchgb指令），确保了在执行期间不会被中断或者干扰，从而保证了操作的完整性，使得多线程程序能够有效地管理共享资源的访问。

六、封装加锁和解锁操作

• 版本一

#pragma once#include <pthread.h>class Mutex
{
public:Mutex(pthread_mutex_t *lock) : _lock(lock){}~Mutex(){}void Lock() // 加锁{pthread_mutex_lock(_lock);}void Unlock() // 解锁{pthread_mutex_unlock(_lock);}private:pthread_mutex_t *_lock;
};class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t *lock): _mutex(lock){_mutex.Lock();}~LockGuard(){_mutex.Unlock();}private:Mutex _mutex;
};

• 版本二

#pragma once#include <pthread.h>class LockGuard
{
public:LockGuard(pthread_mutex_t *lock): _mutex(lock){pthread_mutex_lock(_mutex);}~LockGuard(){pthread_mutex_unlock(_mutex);}private:pthread_mutex_t *_mutex;
};

代码非常的简单，主要的用途：用对象的生命周期来管理加锁和解锁操作。

比方说：

像这种获取资源即初始化的风格称为 RAII风格，由C++之父本贾尼·斯特劳斯特卢普提出，非常巧妙的运用了 类和对象 的特性，实现半自动化操作。这里是首次遇到，后面学习`C++```智能指针时还会遇到。

七、线程安全 VS 重入

7.1 概念

• 线程安全：多线程并发访问同一段代码时，不会出现不同的结果，此时就是线程安全的；但如果在没有加锁保护的情况下访问全局变量或静态变量，导致出现不同的结果，此时线程就是不安全。
• 重入：同一个函数被多个线程（执行流）调用，当前一个执行流还没有执行完函数时，其他执行流可以进入该函数，这种行为称之为 重入；
  • 在发生重入时，函数运行结果不会出现问题，称该函数为可重入函数，
  • 否则就是不可重入函数。
  • 说明：是否可重入只是函数的一种特征，没有好坏之分。

7.2 常见线程不安全的情况

• 不保护共享变量。
• 函数的状态随着被调用，而导致状态发生变化。比如要统计一个函数被调用了多少次，在函数内部定义一个static int cnt = 0，那么我们说函数的状态随着被调用，而导致状态发生变化
• 返回指向静态变量指针的函数。
• 调用线程不安全函数的函数。

7.3 常见线程安全的情况

• 每个线程对全局变量或静态变量只有读取权限，而没有写入权限，一般来说都是线程安全的。
• 类或者接口对于线程来说都是原子操作。
• 多个线程之间的切换不会导致执行结果存在二义性。

7.4 常见不可重入的情况

• 调用了malloc / free函数，因为这些都是C语言提供的接口，通过全局链表进行管理。
• 调用了标准I/O库函数，其中很多实现都是以不可重入的方式来使用全局数据结构。
• 可重入函数体内使用了静态的数据结构。

我们目前写的99.99999999999999%的代码都是不可重入函数！！！

7.5 常见可重入的情况

• 不使用全局变量或静态变量。
• 不使用malloc或new开辟空间。
• 不调用不可重入函数。
• 不返回全局或静态数据，所有的数据都由函数调用者提供。
• 使用本地数据或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据。

7.6 重入与线程安全的联系

• 如果函数是可重入的，那么函数就是线程安全的。
• 函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题。注意是有可能。
• 如果一个函数中使用了全局变量，那么这个函数既不是线程安全的，也不是可重入的 。

7.7 重入与线程安全的区别

• 可重入函数是线程安全函数的一种。
• 只要函数不可重入，在多线程调用时可能会出问题；但可重入函数一定是线程安全的。
• 如果对于临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的；但如果这个重入函数中没有解锁而引发死锁，因此是不可被重入的。

总结

• 线程安全描述的是线程并发的问题，可重入描述的是函数特点的问题。
• 不可重入函数在多线程并发访问时，可能会出现线程安全问题；而一个函数时可重入的，则不会有线程安全问题。

八、死锁Deadlock

8.1 概念

死锁指的是：同一个进程中的多个线程实例中，这些线程彼此持有对方所需要的资源，导致所有参与的进程或线程都无法继续执行。

举一个简单的例子

假设有两个小朋友，Alice和Bob，每人都带了五毛钱，他们同时想买一块钱的冰棍，这里冰棍的购买可以被视为一个临界资源，因为它需要两个单独的锁资源才能完成购买过程（例如，一把锁用于支付，另一把锁用于取冰棍）。

现在的情况是这样的：

• Alice想要买冰棍，但她只有五毛钱。她需要获取第一把锁来支付，然后第二把锁来取冰棍。
• 同时，Bob也想要买冰棍，同样只有五毛钱。他也需要获取相同的两把锁来完成购买过程。

可能出现的问题是：

• Alice 先获取了第一把锁来支付，但在尝试获取第二把锁时，可能由于竞争或者执行顺序问题，这第二把锁正在被Bob持有。
• 同时，Bob也已经获取了第一把锁，但在尝试获取第二把锁时，可能这第二把锁正在被Alice持有。

这种情况下，Alice和Bob都无法继续完成购买冰棍的过程，因为他们彼此占用了彼此所需的资源，而又不愿意释放已占用的资源。他们互相等待对方释放资源，从而导致了死锁。

8.2 模拟死锁

如下我创建了两个线程，两把锁。线程1先申请A锁，线程2先申请B锁，申请完后，线程1又开始申请B锁，而线程2又开始申请A锁，此时就出现了线程1拿着A锁，线程2拿着B锁，他俩还互相想要对方的锁，但是他们要的锁已经被对方所拿走，此时就出现，线程1在申请B锁的时候申请不到，线程1抱着A锁挂起等待，线程2也不可能申请到A锁，线程2抱着B锁挂起等待。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>using namespace std;pthread_mutex_t mutexA = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutexB = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void *startRoutine1(void *args)
{while (true){pthread_mutex_lock(&mutexA);sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutexB);cout << "我是线程1, 我的tid: " << pthread_self() << endl;pthread_mutex_lock(&mutexA);pthread_mutex_lock(&mutexB);}
}
void *startRoutine2(void *args)
{while (true){pthread_mutex_lock(&mutexB);sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutexA);cout << "我是线程2, 我的tid: " << pthread_self() << endl;pthread_mutex_lock(&mutexB);pthread_mutex_lock(&mutexA);}
}
int main()
{pthread_t t1, t2;pthread_create(&t1, nullptr, startRoutine1, nullptr);pthread_create(&t2, nullptr, startRoutine2, nullptr);pthread_join(t1, nullptr);pthread_join(t2, nullptr);return 0;
}

【程序结果】

经典问题：只有一把锁会造成死锁吗？

答案是：会！在只有一把锁的情况下，如果一个线程（比如线程A）获取了锁并且在使用临界资源后没有释放锁，而其他线程也需要这把锁来继续执行，那么这些线程会被阻塞，无法继续执行。同时，线程A由于没有释放锁，那么它会一直处于等待状态，直到获取到锁为止。这不就是死锁的表现吗？

【程序结果】

8.2 形成死锁的四个必要条件

1. 互斥：一个资源每次只能被一个执行流使用（使用锁）。【前提】
2. 请求与保持：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不释放。【原则】
3. 不剥夺条件：不能强行剥夺其他线程的资源。【原则】
4. 循环等待条件：若干执行流之间形成一种首尾相接的循环等待资源的关系。【重要条件】

只有四个条件都同时满足了，才会引发死锁问题！

8.3 如何避免死锁

核心思路：破坏四个必要条件的其中一个或多个。

• 方法一：不加锁。本质是不保证互斥。（破坏条件1）

• 方法二：尝试主动释放锁资源给对方。本质就是一个牺牲自己，成就对方。（破坏条件2）

可以借助pthread_mutex_trylock函数实现这种方案

#include <pthread.h>int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

该函数主要用于避免线程阻塞等待锁资源的情况。

其功能是：用于尝试获取一个互斥锁，如果该锁当前没有被其他线程占用，则立即获取并返回成功。如果锁已经被其他线程占用，则立即返回失败，而不是阻塞等待。

• 方法三：不剥夺对方的资源，那就释放对方的资源。（破坏条件3）

调用pthread_mutex_unlock接口即可。

• 方法四：按照顺序申请锁。（破坏条件4）

环路问题的根本在于：双方都有对方需要的资源。所以可以按顺序申请锁资源呢？然后再按照顺序释放锁。

总结

• 破坏死锁的四个必要条件的其中之一即可
• 加锁顺序一致
• 避免锁未释放的场景
• 资源一次性分配
• 死锁检测算法
• 银行家算法

九、相关代码

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