什麼是線程安全？一文帶你深刻理解

前言

歡迎來到操做系統系列，採用圖解 + 大白話的形式來說解，讓小白也能看懂，幫助你們快速科普入門。

上篇文章有介紹過進程與線程的基礎知識，進程下擁有多個線程，雖然多線程間通訊十分方便（同進程），可是卻帶來了線程安全問題，本篇主要就是介紹操做系統中是用什麼方法解決多線程安全，廢話很少說，進入正文吧。

博主但願讀者閱讀文章後能夠養成思考與總結的習慣，只有這樣才能把知識消化成本身的東西，而不是單純的去記憶

內容大綱

小故事

帶薪蹲坑，相信都是大夥都愛作的事情，阿星也不例外，可是我司所在的樓層的坑位較少，粥少僧多，十分煩惱。

阿星（線程A）每次去廁所（共享資源），門都是鎖着的，說明有同事在裏面佔着坑（線程B持有鎖），只能無奈的在外面乖乖的等着，不久後沖水聲響起，同事爽完出來（線程B釋放鎖），阿星一個健步進入廁所把門鎖住（線程A持有鎖），享受屬於本身的空間，晚來的其餘同事只能乖乖排隊，一切都是那麼井井有理。

假設門鎖壞了，井井有理就不存在了，上廁所再也不是享受，而是高度緊張，防止門忽然被打開，更糟糕的是，開門時，是個妹子，這下不只僅是線程安全問題，還有數組越界了。

故事說完，扯了那麼多，就是想說明，在多線程環境裏，對共享資源進行操做，若是多線程之間不作合理的協做（互斥與同步），那麼必定會發生翻車現場。

競爭條件

由於多線程共享進程資源，在操做系統調度進程內的多線程時，必然會出現多線程競爭共享資源問題，若是不採起有效的措施，則會形成共享資源的混亂！

來寫個小例子，建立兩個線程，它們分別對共享變量 i 自增 1 執行 1000 次，以下代碼

正常來講，i 變量最後的值是 2000 ，但是並不是如此，咱們執行下代碼看看結果

• 結果：2000
• 結果：1855

運行了兩次，結果分別是185五、2000，咱們發現每次運行的結果不一樣，這在計算機裏是不能容忍的，雖然是小几率出現的錯誤，可是小几率它必定是會發生的。

彙編指令

爲了搞明白到底發生了什麼事情，咱們必需要了解彙編指令執行，以 i 加 1 爲例子，彙編指令的執行過程以下

好傢伙，一個加法動做，在 C P U 運行，實際要執行 3 條指令。

如今模擬下線程A與線程B的運行，假設此時內存變量 i 的值是 0，線程A加載內存的 i 值到寄存器，對寄存器 i 值加 1，此時 i 值是 1，正準備執行下一步寄存器 i 值回寫內存，時間片使用完了，發生線程上下文切換，保存線程的私有信息到線程控制塊T C P。

操做系統調度線程B執行，此時的內存變量 i 依然仍是 0，線程B執行與線程A同樣的步驟，它很幸運，在時間片使用完前，執行完了加 1，最終回寫內存，內存變量 i 值是 1。

線程B時間片使用完後，發生線程上下文切換，回到線程A上次的狀態繼續執行，寄存器中的 i 值回寫內存，內存變量再次被設置成 1。

按理說，最後的 i 值應該是 2，可是因爲不可控的調度，致使最後 i 值是 1，下面是線程A與線程B的流程圖

• 第一步：內存取出 i 值，加載進寄存器
• 第二步：對寄存器內的 i 值加 1
• 第三步：寄存器內的 i 值取出 加載進內存

小結

這種狀況稱爲競爭條件（race condition），多線程相互競爭操做共享資源時，因爲運氣很差，在執行過程當中發生線程上下文切換，最後獲得錯誤的結果，事實上，每次運行均可能獲得不一樣的結果，所以輸出的結果存在不肯定性（indeterminate）。

互斥與同步

爲了解決因競爭條件出現的線程安全，操做系統是經過互斥與同步來解決此類問題。

互斥概念

多線程執行共享變量的這段代碼可能會致使競爭狀態，所以咱們將此段代碼稱爲臨界區（critical section），它是執行共享資源的代碼片斷，必定不能給多線程同時執行。

因此咱們但願這段代碼是互斥（mutualexclusion）的，也就說執行臨界區（critical section）代碼段的只能有一個線程，其餘線程阻塞等待，達到排隊效果。

互斥並不僅是針對多線程的競爭條件，同時還可用於多進程，避免共享資源混亂。

同步概念

互斥解決了「多進程/線程」對臨界區使用的問題，可是它沒有解決「多進程/線程」協同工做的問題

咱們都知道在多線程裏，每一個線程必定是順序執行的，它們各自獨立，以不可預知的速度向前推動，但有時候咱們但願多個線程能密切合做，以實現一個共同的任務。

所謂同步，就是「多進程/線程間」在一些關鍵點上可能須要互相等待與互通消息，這種相互制約的等待與互通訊息稱爲「進程/線程」同步。

舉個例，有兩個角色分別是研發、質量管控，質量管控測試功能，須要等研「發完成開發」，研發要修bug也要等質量管控「測試完成提交B U G」，正常流程是研發完成開發，通知質量管控進行測試，質量管控測試完成，通知研發人員修復bug。

互斥與同步的區別

• 互斥：某一資源同時只容許一個訪問者對其進行訪問，具備惟一性和排它性。但互斥沒法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的（操做 A 和操做 B 不能在同一時刻執行）

• 同步：互斥的基礎上，經過其它機制實現訪問者對資源的有序訪問。在大多數狀況下，同步已經實現了互斥（操做 A 應在操做 B 以前執行，操做 C 必須在操做 A 和操做 B 都完成以後才能執行）

顯然，同步是一種更爲複雜的互斥，而互斥是一種特殊的同步。也就是說互斥是兩個線程之間不能夠同時運行，他們會相互排斥，必須等待一個線程運行完畢，另外一個才能運行，而同步也是不能同時運行，但他是必需要按照某種次序來運行相應的線程（也是一種互斥）！　

互斥與同步的實現

互斥與同步能夠保證「多進程/線程間正確協做」 ，可是互斥與同步僅僅只是概念，操做系統必需要提供對應的實現，針對互斥與同步的實現有下面兩種

• 鎖：加鎖、解鎖操做（互斥）

• 信號量：P、V 操做（同步）

這兩個種方式均可以實現「多進程/線程」互斥，信號量比鎖的功能更強一些，它還能夠方便地實現「多進程/線程」同步。

鎖

顧名思義，給臨界區上一把鎖，任何進入臨界區）的線程，必須先執行加鎖操做，加鎖成功，才能進入臨界區，在離開臨界區時再釋放鎖，達到互斥的效果。

鎖的實現方式又分爲「忙等待鎖」和「無忙等待鎖」

忙等鎖

檢查並設置（test-and-set-lock，TSL）是一種不可中斷的原子運算，它屬於原子操做指令，能夠經過它來實現忙等鎖（自旋鎖）。

test-and-set-lock 指令僞代碼

檢查並設置作了以下幾個步驟

• 檢查舊值是否相等
• 相等設置新值，返回原舊值（成功）
• 不相等，無任何操做，直接返回原舊值（失敗）

上面的步驟，把它當作一步並具有原子性，原子性的意思是指所有執行或都不執行，不會出現執行到一半的中間狀態.

僞代碼testAndSetLock實現忙等鎖（自旋鎖）

下面兩種場景運行

• 單線程：假設一個線程訪問臨界區，執行 getLock 方法，檢查舊值 0 經過，更新原舊值 0 爲新值 1，返回原舊值 0，獲取鎖成功，離開臨界區時，執行 unLock 方法，檢查舊值 1 經過，更新原舊值 1 爲新值 0，釋放鎖成功。

• 多線程：假設兩個線程，線程A訪問臨界區，執行 getLock 方法，檢查舊值 0 經過，更新原舊值 0 爲新值 1，返回原舊值 0，獲取鎖成功，此時線程B執行 getLock 方法，舊值檢查失敗，獲取鎖失敗，一直循環直到更新成功爲止，當線程A離開臨界區時，執行 unLock 方法，檢查舊值 1 經過，更新原舊值 1 爲新值 0，釋放鎖成功，線程B獲取鎖成功。

當獲取不到鎖時，線程就會一直 wile 循環，不作任何事情，因此就被稱爲忙等待鎖，也被稱爲自旋鎖。

這是最簡單的鎖，一直自旋，利用 C P U 週期，直到鎖可用。在單處理器上，須要搶佔式的調度器（即不斷經過時鐘中斷一個線程，運行其餘線程）。不然，自旋鎖在 C P U 上沒法使用，由於一個自旋的線程永遠不會放棄 C P U。

無忙等鎖

顧名思義，無忙等鎖不須要主動自旋，被動等待喚醒便可，在沒有獲取到鎖的時候，就把該線程加入到等待隊列，讓出 C P U 給其餘線程，其餘線程釋放鎖時，再從等待隊列喚醒該線程。

兩種鎖的實現都是基於檢查並設置（test-and-set-lock，TSL），上面只是簡單的僞代碼，實際上操做系統的實現會更復雜，可是基本思想與大體流程仍是與本例同樣。

信號量

操做系統中協調「多線程/進程」共同配合工做，就是經過信號量實現的，一般信號量表明「資源數量」，對應一個整型（s e n）變量，還有兩個原子操做的系統調用函數來控制「資源數量」。

• P 操做：將 s e n 減 1，相減後，若是 s e n < 0 ，則進程/線程進入阻塞等待，不然繼續，P 操做可能會阻塞

• V 操做：將 s e n 加 1 ，相加後，若是 s e n <= 0，喚醒等待中的進程/線程，V 操做不會阻塞

P V操做必須是成對出現，可是沒有順序要求，也就說你能夠P V或V P。

舉個例子，最近新冠病毒又出來搗亂了，爲了自身安全，你們都去打疫苗，由於醫生只有兩位（至關於2個資源的信號量），因此同時只能爲兩我的接種疫苗，過程以下圖

• 信號量等於 0 時，表明無資源可用
• 信號量小於 0 時，表明有線程在阻塞
• 信號量大於 0 時，表明資源可用

使用僞代碼實現P V 信號量

P V操做的函數是由操做系統管理和實現的，因此 P V 函數是具備原子性的。

實踐

信號量仍是比較有意思的，這裏來作幾個實踐，加深你們對信號量的理解，實踐的內容分別是

• 信號量實現互斥
• 信號量實現事件同步
• 信號量實現生產者與消費者

互斥

使用信號量實現互斥很是簡單，信號量數量爲1，線程進入臨界區進行 P 操做，離開臨界區進行 V 操做。

事件同步

之前面說的研發、質量管控線程爲例子，實現事件同步的效果，僞代碼以下

首先抽象出兩個信號量，「是否能提測」與「是否能修BUG」，它們默認都是否，也就是 0，關鍵點就是對兩個信號量進行 P V 操做

• 質量管控線程詢問開發線程有沒有完成開發，執行 P 操做 p(this.rDSemaphore)

  • 若是沒有完成開發，this.rDSemaphore 減 1 結果爲 -1，質量管控線程阻塞等待喚醒（等後續研發線程進行 V 操做）
  • 若是完成開發，說明研發線程先執行 V 操做 v(this.rDSemaphore) 完成開發，this.rDSemaphore 加 1 結果 1，此時質量管控線程 P 操做 this.rDSemaphore 減 1 結果 0，進行後面的提測工做

• 研發線程詢問質量管控線程能不能修復B U G，執行 P 操做 p(this.qualitySemaphore)

  • 若是不能夠修復B U G，this.qualitySemaphore 減 1 結果爲 -1，研發線程阻塞等待喚醒（等後續質量管控線程執行 V 操做）
  • 若是能夠修復B U G，說明質量管控線程先執行 V 操做 v(this.qualitySemaphore) 提交BUG， this.qualitySemaphore 加 1 結果爲 1，此時研發線程 P 操做 this.qualitySemaphore 減 1 結果 0，進行後面的修復 B U G 操做

• 流程

  • 質量管控線程執行 P 操做 p(this.rDSemaphore) 能不能提測，this.rDSemaphore 減 1 結果是 -1 ，不能進行提測，質量管控線程阻塞等待喚醒
  • 研發線程運行，執行 V 操做 v(this.rDSemaphore) 完成研發功能，this.rDSemaphore 加 1 結果是 0，通知質量管控線程提測
  • 研發線程繼續執行 P 操做 p(this.qualitySemaphore) 能不能修復B U G，this.qualitySemaphor 減 1 結果是 -1，不能修復B U G，研發線程阻塞等待喚醒
  • 質量管控線程喚醒後進行提測，提測完畢執行 V 操做 v(this.qualitySemaphore) 完成提測與提交相關B U G，this.qualitySemaphore 加 1 結果是 0，通知研發線程進行B U G修復

生產者與消費者

生產者與消費者是一個比較經典的線程同步問題，咱們先分析下有那些角色

• 生產者：生產事件放入緩衝區
• 消費者：從緩衝區消費事件
• 緩衝區：裝載事件的容器

問題分析能夠得出：

• 任什麼時候刻只能有一個線程操做緩衝區，說明操做緩衝區是臨界代碼，須要互斥
• 緩衝區空時，消費者必須等待生產者生成數據
• 緩衝區滿時，生產者必須等待消費者取出數據

經過問題分析咱們能夠抽象出3個信號量

• 互斥信號量：互斥訪問緩衝區，初始化 1
• 消費者資源信號量：緩衝區是否有事件，初始化 0，無事件
• 生產者信號量：緩衝區是否有空位裝載事件，初始化 N （緩衝區大小）

僞代碼以下

關鍵的 P V 操做以下

• 生產線程，在往緩衝區裝載事件以前，執行 P 操做 p(this.produceSemaphore) ，緩衝區空槽數量減 1，結果 < 0 說明無空槽，阻塞等待「消費線程」喚醒，不然執行後續邏輯
• 不管是生產線程仍是消費線程在操做緩衝區都要執行 P V 臨界區操做 p(this.mutexSemaphore) 與 v(this.mutexSemaphore)，這裏就不作過多概述了
• 消費線程，在從緩存區消費事件以前，執行 P 操做 p(this.consumeSemaphore)，緩衝區事件數量減 1，結果 < 0 說明緩衝區無事件消費，阻塞等待「生產線程」喚醒，否執行後續邏輯
• 生產線程與消費線程，執行完「裝載/消費」後，都要喚醒對應的「生產/消費線程」，執行 V 操做「緩衝區空槽加 1/緩衝區事件加 1」

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