線程安全是什么

今天就跟大家聊聊有關(guān)線程安全是什么，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，希望大家根據(jù)這篇文章可以有所收獲。

內(nèi)容大綱

小故事

帶薪蹲坑，相信都是大伙都愛做的事情，阿星也不例外，但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），門都是鎖著的，說明有同事在里面占著坑（線程B持有鎖），只能無奈的在外面乖乖的等著，不久后沖水聲響起，同事爽完出來（線程B釋放鎖），阿星一個健步進(jìn)入廁所把門鎖?。ň€程A持有鎖），享受屬于自己的空間，晚來的其他同事只能乖乖排隊(duì)，一切都是那么井然有序。

假設(shè)門鎖壞了，井然有序就不存在了，上廁所不再是享受，而是高度緊張，防止門突然被打開，更糟糕的是，開門時，是個妹子，這下不僅僅是線程安全問題，還有數(shù)組越界了。

故事說完，扯了那么多，就是想說明，在多線程環(huán)境里，對共享資源進(jìn)行操作，如果多線程之間不做合理的協(xié)作（互斥與同步），那么一定會發(fā)生翻車現(xiàn)場。

競爭條件

因?yàn)槎嗑€程共享進(jìn)程資源，在操作系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)程內(nèi)的多線程時，必然會出現(xiàn)多線程競爭共享資源問題，如果不采取有效的措施，則會造成共享資源的混亂！

來寫個小例子，創(chuàng)建兩個線程，它們分別對共享變量 i 自增 1 執(zhí)行 1000 次，如下代碼

正常來說，i 變量最后的值是 2000 ，可是并非如此，我們執(zhí)行下代碼看看結(jié)果

• 結(jié)果：2000

• 結(jié)果：1855

運(yùn)行了兩次，結(jié)果分別是1855、2000，我們發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行的結(jié)果不同，這在計(jì)算機(jī)里是不能容忍的，雖然是小概率出現(xiàn)的錯誤，但是小概率它一定是會發(fā)生的。

匯編指令

為了搞明白到底發(fā)生了什么事情，我們必須要了解匯編指令執(zhí)行，以 i 加 1 為例子，匯編指令的執(zhí)行過程如下

好家伙，一個加法動作，在 C P U 運(yùn)行，實(shí)際要執(zhí)行 3 條指令。

現(xiàn)在模擬下線程A與線程B的運(yùn)行，假設(shè)此時內(nèi)存變量 i 的值是 0，線程A加載內(nèi)存的 i 值到寄存器，對寄存器 i 值加 1，此時 i 值是 1，正準(zhǔn)備執(zhí)行下一步寄存器 i 值回寫內(nèi)存，時間片使用完了，發(fā)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。

操作系統(tǒng)調(diào)度線程B執(zhí)行，此時的內(nèi)存變量 i 依然還是 0，線程B執(zhí)行與線程A一樣的步驟，它很幸運(yùn)，在時間片使用完前，執(zhí)行完了加 1，最終回寫內(nèi)存，內(nèi)存變量 i 值是 1。

線程B時間片使用完后，發(fā)生線程上下文切換，回到線程A上次的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行，寄存器中的 i 值回寫內(nèi)存，內(nèi)存變量再次被設(shè)置成 1。

按理說，最后的 i 值應(yīng)該是 2，但是由于不可控的調(diào)度，導(dǎo)致最后 i 值是 1，下面是線程A與線程B的流程圖

• 第一步：內(nèi)存取出 i 值，加載進(jìn)寄存器

• 第二步：對寄存器內(nèi)的 i 值加 1

• 第三步：寄存器內(nèi)的 i 值取出 加載進(jìn)內(nèi)存

小結(jié)

這種情況稱為競爭條件（race condition），多線程相互競爭操作共享資源時，由于運(yùn)氣不好，在執(zhí)行過程中發(fā)生線程上下文切換，最后得到錯誤的結(jié)果，事實(shí)上，每次運(yùn)行都可能得到不同的結(jié)果，因此輸出的結(jié)果存在不確定性（indeterminate）。

互斥與同步

為了解決因競爭條件出現(xiàn)的線程安全，操作系統(tǒng)是通過互斥與同步來解決此類問題。

互斥概念

多線程執(zhí)行共享變量的這段代碼可能會導(dǎo)致競爭狀態(tài)，因此我們將此段代碼稱為臨界區(qū)（critical section），它是執(zhí)行共享資源的代碼片段，一定不能給多線程同時執(zhí)行。

所以我們希望這段代碼是互斥（mutualexclusion）的，也就說執(zhí)行臨界區(qū)（critical section）代碼段的只能有一個線程，其他線程阻塞等待，達(dá)到排隊(duì)效果。

互斥并不只是針對多線程的競爭條件，同時還可用于多進(jìn)程，避免共享資源混亂。

同步概念

互斥解決了「多進(jìn)程/線程」對臨界區(qū)使用的問題，但是它沒有解決「多進(jìn)程/線程」協(xié)同工作的問題

我們都知道在多線程里，每個線程一定是順序執(zhí)行的，它們各自獨(dú)立，以不可預(yù)知的速度向前推進(jìn)，但有時候我們希望多個線程能密切合作，以實(shí)現(xiàn)一個共同的任務(wù)。

所謂同步，就是「多進(jìn)程/線程間」在一些關(guān)鍵點(diǎn)上可能需要互相等待與互通消息，這種相互制約的等待與互通信息稱為「進(jìn)程/線程」同步。

舉個例，有兩個角色分別是研發(fā)、質(zhì)量管控，質(zhì)量管控測試功能，需要等研「發(fā)完成開發(fā)」，研發(fā)要修bug也要等質(zhì)量管控「測試完成提交B U G」，正常流程是研發(fā)完成開發(fā)，通知質(zhì)量管控進(jìn)行測試，質(zhì)量管控測試完成，通知研發(fā)人員修復(fù)bug。

互斥與同步的區(qū)別

• 互斥：某一資源同時只允許一個訪問者對其進(jìn)行訪問，具有唯一性和排它性。但互斥無法限制訪問者對資源的訪問順序，即訪問是無序的（操作 A 和操作 B 不能在同一時刻執(zhí)行）

• 同步：互斥的基礎(chǔ)上，通過其它機(jī)制實(shí)現(xiàn)訪問者對資源的有序訪問。在大多數(shù)情況下，同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了互斥（操作 A 應(yīng)在操作 B 之前執(zhí)行，操作 C 必須在操作 A 和操作 B 都完成之后才能執(zhí)行）

顯然，同步是一種更為復(fù)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可以同時運(yùn)行，他們會相互排斥，必須等待一個線程運(yùn)行完畢，另一個才能運(yùn)行，而同步也是不能同時運(yùn)行，但他是必須要按照某種次序來運(yùn)行相應(yīng)的線程（也是一種互斥）！　

互斥與同步的實(shí)現(xiàn)

互斥與同步可以保證「多進(jìn)程/線程間正確協(xié)作」 ，但是互斥與同步僅僅只是概念，操作系統(tǒng)必須要提供對應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，針對互斥與同步的實(shí)現(xiàn)有下面兩種

• 鎖：加鎖、解鎖操作（互斥）

• 信號量：P、V 操作（同步）

這兩個種方式都可以實(shí)現(xiàn)「多進(jìn)程/線程」互斥，信號量比鎖的功能更強(qiáng)一些，它還可以方便地實(shí)現(xiàn)「多進(jìn)程/線程」同步。

鎖

顧名思義，給臨界區(qū)上一把鎖，任何進(jìn)入臨界區(qū)）的線程，必須先執(zhí)行加鎖操作，加鎖成功，才能進(jìn)入臨界區(qū)，在離開臨界區(qū)時再釋放鎖，達(dá)到互斥的效果。

鎖的實(shí)現(xiàn)方式又分為「忙等待鎖」和「無忙等待鎖」

忙等鎖

檢查并設(shè)置（test-and-set-lock，TSL）是一種不可中斷的原子運(yùn)算，它屬于原子操作指令，可以通過它來實(shí)現(xiàn)忙等鎖（自旋鎖）。

test-and-set-lock 指令偽代碼

檢查并設(shè)置做了如下幾個步驟

• 檢查舊值是否相等

• 相等設(shè)置新值，返回原舊值（成功）

• 不相等，無任何操作，直接返回原舊值（失?。?/p>

上面的步驟，把它看成一步并具備原子性，原子性的意思是指全部執(zhí)行或都不執(zhí)行，不會出現(xiàn)執(zhí)行到一半的中間狀態(tài).

偽代碼testAndSetLock實(shí)現(xiàn)忙等鎖（自旋鎖）

下面兩種場景運(yùn)行

• 單線程：假設(shè)一個線程訪問臨界區(qū)，執(zhí)行 getLock 方法，檢查舊值 0 通過，更新原舊值 0 為新值 1，返回原舊值 0，獲取鎖成功，離開臨界區(qū)時，執(zhí)行 unLock 方法，檢查舊值 1 通過，更新原舊值 1 為新值 0，釋放鎖成功。

• 多線程：假設(shè)兩個線程，線程A訪問臨界區(qū)，執(zhí)行 getLock 方法，檢查舊值 0 通過，更新原舊值 0 為新值 1，返回原舊值 0，獲取鎖成功，此時線程B執(zhí)行 getLock 方法，舊值檢查失敗，獲取鎖失敗，一直循環(huán)直到更新成功為止，當(dāng)線程A離開臨界區(qū)時，執(zhí)行 unLock 方法，檢查舊值 1 通過，更新原舊值 1 為新值 0，釋放鎖成功，線程B獲取鎖成功。

當(dāng)獲取不到鎖時，線程就會一直 wile 循環(huán)，不做任何事情，所以就被稱為忙等待鎖，也被稱為自旋鎖。

這是最簡單的鎖，一直自旋，利用 C P U 周期，直到鎖可用。在單處理器上，需要搶占式的調(diào)度器（即不斷通過時鐘中斷一個線程，運(yùn)行其他線程）。否則，自旋鎖在 C P U 上無法使用，因?yàn)橐粋€自旋的線程永遠(yuǎn)不會放棄 C P U。

無忙等鎖

顧名思義，無忙等鎖不需要主動自旋，被動等待喚醒即可，在沒有獲取到鎖的時候，就把該線程加入到等待隊(duì)列，讓出 C P U 給其他線程，其他線程釋放鎖時，再從等待隊(duì)列喚醒該線程。

兩種鎖的實(shí)現(xiàn)都是基于檢查并設(shè)置（test-and-set-lock，TSL），上面只是簡單的偽代碼，實(shí)際上操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)會更復(fù)雜，但是基本思想與大致流程還是與本例一樣。

信號量

操作系統(tǒng)中協(xié)調(diào)「多線程/進(jìn)程」共同配合工作，就是通過信號量實(shí)現(xiàn)的，通常信號量代表「資源數(shù)量」，對應(yīng)一個整型（s e n）變量，還有兩個原子操作的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)來控制「資源數(shù)量」。

• P 操作：將 s e n 減 1，相減后，如果 s e n < 0 ，則進(jìn)程/線程進(jìn)入阻塞等待，否則繼續(xù)，P 操作可能會阻塞

• V 操作：將 s e n 加 1 ，相加后，如果 s e n <= 0，喚醒等待中的進(jìn)程/線程，V 操作不會阻塞

P V操作必須是成對出現(xiàn)，但是沒有順序要求，也就說你可以P V或V P。

舉個例子，最近新冠病毒又出來搗亂了，為了自身安全，大家都去打疫苗，因?yàn)獒t(yī)生只有兩位（相當(dāng)于2個資源的信號量），所以同時只能為兩個人接種疫苗，過程如下圖

• 信號量等于 0 時，代表無資源可用

• 信號量小于 0 時，代表有線程在阻塞

• 信號量大于 0 時，代表資源可用

使用偽代碼實(shí)現(xiàn)P V 信號量

P V操作的函數(shù)是由操作系統(tǒng)管理和實(shí)現(xiàn)的，所以 P V 函數(shù)是具有原子性的。

實(shí)踐

信號量還是比較有意思的，這里來做幾個實(shí)踐，加深大家對信號量的理解，實(shí)踐的內(nèi)容分別是

• 信號量實(shí)現(xiàn)互斥

• 信號量實(shí)現(xiàn)事件同步

• 信號量實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者

互斥

使用信號量實(shí)現(xiàn)互斥非常簡單，信號量數(shù)量為1，線程進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行 P 操作，離開臨界區(qū)進(jìn)行 V 操作。

事件同步

以前面說的研發(fā)、質(zhì)量管控線程為例子，實(shí)現(xiàn)事件同步的效果，偽代碼如下

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(rèn)都是否，也就是 0，關(guān)鍵點(diǎn)就是對兩個信號量進(jìn)行 P V 操作

• 質(zhì)量管控線程詢問開發(fā)線程有沒有完成開發(fā)，執(zhí)行 P 操作 p(this.rDSemaphore)

• 如果沒有完成開發(fā)，this.rDSemaphore 減 1 結(jié)果為 -1，質(zhì)量管控線程阻塞等待喚醒（等后續(xù)研發(fā)線程進(jìn)行 V 操作）

• 如果完成開發(fā)，說明研發(fā)線程先執(zhí)行 V 操作 v(this.rDSemaphore) 完成開發(fā)，this.rDSemaphore 加 1 結(jié)果 1，此時質(zhì)量管控線程 P 操作 this.rDSemaphore 減 1 結(jié)果 0，進(jìn)行后面的提測工作

• 研發(fā)線程詢問質(zhì)量管控線程能不能修復(fù)B U G，執(zhí)行 P 操作 p(this.qualitySemaphore)

• 如果不可以修復(fù)B U G，this.qualitySemaphore 減 1 結(jié)果為 -1，研發(fā)線程阻塞等待喚醒（等后續(xù)質(zhì)量管控線程執(zhí)行 V 操作）

• 如果可以修復(fù)B U G，說明質(zhì)量管控線程先執(zhí)行 V 操作 v(this.qualitySemaphore) 提交BUG， this.qualitySemaphore 加 1 結(jié)果為 1，此時研發(fā)線程 P 操作 this.qualitySemaphore 減 1 結(jié)果 0，進(jìn)行后面的修復(fù) B U G 操作

• 流程

• 質(zhì)量管控線程執(zhí)行 P 操作 p(this.rDSemaphore) 能不能提測，this.rDSemaphore 減 1 結(jié)果是 -1 ，不能進(jìn)行提測，質(zhì)量管控線程阻塞等待喚醒

• 研發(fā)線程運(yùn)行，執(zhí)行 V 操作 v(this.rDSemaphore) 完成研發(fā)功能，this.rDSemaphore 加 1 結(jié)果是 0，通知質(zhì)量管控線程提測

• 研發(fā)線程繼續(xù)執(zhí)行 P 操作 p(this.qualitySemaphore) 能不能修復(fù)B U G，this.qualitySemaphor 減 1 結(jié)果是 -1，不能修復(fù)B U G，研發(fā)線程阻塞等待喚醒

• 質(zhì)量管控線程喚醒后進(jìn)行提測，提測完畢執(zhí)行 V 操作 v(this.qualitySemaphore) 完成提測與提交相關(guān)B U G，this.qualitySemaphore 加 1 結(jié)果是 0，通知研發(fā)線程進(jìn)行B U G修復(fù)

生產(chǎn)者與消費(fèi)者

生產(chǎn)者與消費(fèi)者是一個比較經(jīng)典的線程同步問題，我們先分析下有那些角色

• 生產(chǎn)者：生產(chǎn)事件放入緩沖區(qū)

• 消費(fèi)者：從緩沖區(qū)消費(fèi)事件

• 緩沖區(qū)：裝載事件的容器

問題分析可以得出：

• 任何時刻只能有一個線程操作緩沖區(qū)，說明操作緩沖區(qū)是臨界代碼，需要互斥

• 緩沖區(qū)空時，消費(fèi)者必須等待生產(chǎn)者生成數(shù)據(jù)

• 緩沖區(qū)滿時，生產(chǎn)者必須等待消費(fèi)者取出數(shù)據(jù)

通過問題分析我們可以抽象出3個信號量

• 互斥信號量：互斥訪問緩沖區(qū)，初始化 1

• 消費(fèi)者資源信號量：緩沖區(qū)是否有事件，初始化 0，無事件

• 生產(chǎn)者信號量：緩沖區(qū)是否有空位裝載事件，初始化 N （緩沖區(qū)大?。?/p>

偽代碼如下

關(guān)鍵的 P V 操作如下

• 生產(chǎn)線程，在往緩沖區(qū)裝載事件之前，執(zhí)行 P 操作 p(this.produceSemaphore) ，緩沖區(qū)空槽數(shù)量減 1，結(jié)果 < 0 說明無空槽，阻塞等待「消費(fèi)線程」喚醒，否則執(zhí)行后續(xù)邏輯

• 不論是生產(chǎn)線程還是消費(fèi)線程在操作緩沖區(qū)都要執(zhí)行 P V 臨界區(qū)操作 p(this.mutexSemaphore) 與 v(this.mutexSemaphore)，這里就不做過多概述了

• 消費(fèi)線程，在從緩存區(qū)消費(fèi)事件之前，執(zhí)行 P 操作 p(this.consumeSemaphore)，緩沖區(qū)事件數(shù)量減 1，結(jié)果 < 0 說明緩沖區(qū)無事件消費(fèi)，阻塞等待「生產(chǎn)線程」喚醒，否執(zhí)行后續(xù)邏輯

• 生產(chǎn)線程與消費(fèi)線程，執(zhí)行完「裝載/消費(fèi)」后，都要喚醒對應(yīng)的「生產(chǎn)/消費(fèi)線程」，執(zhí)行 V 操作「緩沖區(qū)空槽加 1/緩沖區(qū)事件加 1」

看完上述內(nèi)容，你們對線程安全是什么有進(jìn)一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關(guān)內(nèi)容，請關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝大家的支持。