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多个线程为了同个资源打起架来了,该如何让他们安分?

IT服务圈儿 2022-09-10

The following article is from 小林coding Author 小林coding

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经公众号: 小林coding(ID:CodingLin) 授权转载

前言

先来看看虚构的小故事

已经晚上 11 点了,程序员小明的双手还在键盘上飞舞着,眼神依然注视着的电脑屏幕。

没办法这段时间公司业绩增长中,需求自然也多了起来,加班自然也少不了。

天气变化莫测,这时窗外下起了蓬勃大雨,同时闪电轰鸣。

但这一丝都没有影响到小明,始料未及,突然一道巨大的雷一闪而过,办公楼就这么停电了,随后整栋楼都在回荡着的小明那一声撕心裂肺的「卧槽」。

此时,求小明的心里面积有多大?

等小明心里平复后,突然肚子非常的痛,想上厕所,小明心想肯定是晚上吃的某堡王有问题。

整栋楼都停了电,小明两眼一抹黑,啥都看不见,只能靠摸墙的方法,一步一步的来到了厕所门口。

到了厕所(共享资源),由于实在太急,小明直接冲入了厕所里,用手摸索着刚好第一个门没锁门,便夺门而入。

这就荒唐了,这个门里面正好小红在上着厕所,正好这个厕所门是坏了的,没办法锁门。

黑暗中,小红虽然看不见,但靠着声音,发现自己面前的这扇门有动静,觉得不对劲,于是铆足了力气,用她穿着高跟鞋脚,用力地一脚踢了过去。

小明很幸运,被踢中了「命根子」,撕心裂肺地喊出了一个字「痛」!

故事说完了,扯了那么多,实际上是为了说明,对于共享资源,如果没有上锁,在多线程的环境里,那么就可能会发生翻车现场。

接下来,用 30+ 张图,带大家走进操作系统中避免多线程资源竞争的互斥、同步的方法。


正文

竞争与协作

在单核 CPU 系统里,为了实现多个程序同时运行的假象,操作系统通常以时间片调度的方式,让每个进程执行每次执行一个时间片,时间片用完了,就切换下一个进程运行,由于这个时间片的时间很短,于是就造成了「并发」的现象。

并发

另外,操作系统也为每个进程创建巨大、私有的虚拟内存的假象,这种地址空间的抽象让每个程序好像拥有自己的内存,而实际上操作系统在背后秘密地让多个地址空间「复用」物理内存或者磁盘。

虚拟内存管理-换入换出

如果一个程序只有一个执行流程,也代表它是单线程的。当然一个程序可以有多个执行流程,也就是所谓的多线程程序,线程是调度的基本单位,进程则是资源分配的基本单位。

所以,线程之间是可以共享进程的资源,比如代码段、堆空间、数据段、打开的文件等资源,但每个线程都有自己独立的栈空间。

多线程

那么问题就来了,多个线程如果竞争共享资源,如果不采取有效的措施,则会造成共享数据的混乱。

我们做个小实验,创建两个线程,它们分别对共享变量 i 自增 1 执行 10000 次,如下代码(虽然说是 C++ 代码,但是没学过 C++ 的同学也是看到懂的):

按理来说,i 变量最后的值应该是 20000,但很不幸,并不是如此。我们对上面的程序执行一下:

运行了两次,发现出现了 i 值的结果是 15173,也会出现 20000 的 i 值结果。

每次运行不但会产生错误,而且得到不同的结果。在计算机里是不能容忍的,虽然是小概率出现的错误,但是小概率事件它一定是会发生的,「墨菲定律」大家都懂吧。

为什么会发生这种情况?

为了理解为什么会发生这种情况,我们必须了解编译器为更新计数器 i 变量生成的代码序列,也就是要了解汇编指令的执行顺序。

在这个例子中,我们只是想给 i 加上数字 1,那么它对应的汇编指令执行过程是这样的:

可以发现,只是单纯给 i 加上数字 1,在 CPU 运行的时候,实际上要执行 3 条指令。

设想我们的线程 1 进入这个代码区域,它将 i 的值(假设此时是 50 )从内存加载到它的寄存器中,然后它向寄存器加 1,此时在寄存器中的 i 值是 51。

现在,一件不幸的事情发生了:时钟中断发生。因此,操作系统将当前正在运行的线程的状态保存到线程的线程控制块 TCP。

现在更糟的事情发生了,线程 2 被调度运行,并进入同一段代码。它也执行了第一条指令,从内存获取 i 值并将其放入到寄存器中,此时内存中 i 的值仍为 50,因此线程 2 寄存器中的 i 值也是 50。假设线程 2 执行接下来的两条指令,将寄存器中的 i 值 + 1,然后将寄存器中的 i 值保存到内存中,于是此时全局变量 i 值是 51。

最后,又发生一次上下文切换,线程 1 恢复执行。还记得它已经执行了两条汇编指令,现在准备执行最后一条指令。回忆一下, 线程 1 寄存器中的 i 值是51,因此,执行最后一条指令后,将值保存到内存,全局变量 i 的值再次被设置为 51。

简单来说,增加 i (值为 50 )的代码被运行两次,按理来说,最后的 i 值应该是 52,但是由于不可控的调度,导致最后 i 值却是 51。

针对上面线程 1 和线程 2 的执行过程,我画了一张流程图,会更明确一些:

蓝色表示线程 1 ,红色表示线程 2

互斥的概念

上面展示的情况称为竞争条件(race condition,当多线程相互竞争操作共享变量时,由于运气不好,即在执行过程中发生了上下文切换,我们得到了错误的结果,事实上,每次运行都可能得到不同的结果,因此输出的结果存在不确定性(indeterminate

由于多线程执行操作共享变量的这段代码可能会导致竞争状态,因此我们将此段代码称为临界区(critical section),它是访问共享资源的代码片段,一定不能给多线程同时执行。

我们希望这段代码是互斥(mutualexclusion)的,也就说保证一个线程在临界区执行时,其他线程应该被阻止进入临界区,说白了,就是这段代码执行过程中,最多只能出现一个线程。

互斥

另外,说一下互斥也并不是只针对多线程。在多进程竞争共享资源的时候,也同样是可以使用互斥的方式来避免资源竞争造成的资源混乱。

同步的概念

互斥解决了并发进程/线程对临界区的使用问题。这种基于临界区控制的交互作用是比较简单的,只要一个进程/线程进入了临界区,其他试图想进入临界区的进程/线程都会被阻塞着,直到第一个进程/线程离开了临界区。

我们都知道在多线程里,每个线程并一定是顺序执行的,它们基本是以各自独立的、不可预知的速度向前推进,但有时候我们又希望多个线程能密切合作,以实现一个共同的任务。

例子,线程 1 是负责读入数据的,而线程 2 是负责处理数据的,这两个线程是相互合作、相互依赖的。线程 2 在没有收到线程 1 的唤醒通知时,就会一直阻塞等待,当线程 1 读完数据需要把数据传给线程 2 时,线程 1 会唤醒线程 2,并把数据交给线程 2 处理。

所谓同步,就是并发进程/线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息,这种相互制约的等待与互通信息称为进程/线程同步

举个生活的同步例子,你肚子饿了想要吃饭,你叫妈妈早点做菜,妈妈听到后就开始做菜,但是在妈妈没有做完饭之前,你必须阻塞等待,等妈妈做完饭后,自然会通知你,接着你吃饭的事情就可以进行了。

吃饭与做菜的同步关系

注意,同步与互斥是两种不同的概念:

  • 同步就好比:「操作 A 应在操作 B 之前执行」,「操作 C 必须在操作 A 和操作 B 都完成之后才能执行」等;

  • 互斥就好比:「操作 A 和操作 B 不能在同一时刻执行」;


互斥与同步的实现和使用

在进程/线程并发执行的过程中,进程/线程之间存在协作的关系,例如有互斥、同步的关系。

为了实现进程/线程间正确的协作,操作系统必须提供实现进程协作的措施和方法,主要的方法有两种:

  • :加锁、解锁操作;

  • 信号量:P、V 操作;

这两个都可以方便地实现进程/线程互斥,而信号量比锁的功能更强一些,它还可以方便地实现进程/线程同步。

使用加锁操作和解锁操作可以解决并发线程/进程的互斥问题。

任何想进入临界区的线程,必须先执行加锁操作。若加锁操作顺利通过,则线程可进入临界区;在完成对临界资源的访问后再执行解锁操作,以释放该临界资源。

加锁-解锁

根据锁的实现不同,可以分为「忙等待锁」和「无忙等待锁」。

我们先来看看「忙等待锁」的实现

在说明「忙等待锁」的实现之前,先介绍现代 CPU 体系结构提供的特殊原子操作指令 —— 测试和置位(Test-and-Set)指令

如果用 C 代码表示 Test-and-Set 指令,形式如下:

测试并设置指令做了下述事情:

  • 把 old_ptr 更新为 new 的新值

  • 返回 old_ptr 的旧值;

当然,关键是这些代码是原子执行。因为既可以测试旧值,又可以设置新值,所以我们把这条指令叫作「测试并设置」。

那什么是原子操作呢?原子操作就是要么全部执行,要么都不执行,不能出现执行到一半的中间状态

我们可以运用 Test-and-Set 指令来实现「忙等待锁」,代码如下:

忙等待锁的实现

我们来确保理解为什么这个锁能工作:

  • 第一个场景是,首先假设一个线程在运行,调用 lock(),没有其他线程持有锁,所以 flag 是 0。当调用 TestAndSet(flag, 1) 方法,返回 0,线程会跳出 while 循环,获取锁。同时也会原子的设置 flag 为1,标志锁已经被持有。当线程离开临界区,调用 unlock() 将 flag 清理为 0。

  • 第二种场景是,当某一个线程已经持有锁(即 flag 为1)。本线程调用 lock(),然后调用 TestAndSet(flag, 1),这一次返回 1。只要另一个线程一直持有锁,TestAndSet() 会重复返回 1,本线程会一直忙等。当 flag 终于被改为 0,本线程会调用 TestAndSet(),返回 0 并且原子地设置为 1,从而获得锁,进入临界区。

很明显,当获取不到锁时,线程就会一直 wile 循环,不做任何事情,所以就被称为「忙等待锁」,也被称为自旋锁(spin lock

这是最简单的一种锁,一直自旋,利用 CPU 周期,直到锁可用。在单处理器上,需要抢占式的调度器(即不断通过时钟中断一个线程,运行其他线程)。否则,自旋锁在单 CPU 上无法使用,因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

再来看看「无等待锁」的实现

无等待锁顾明思议就是获取不到锁的时候,不用自旋。

既然不想自旋,那当没获取到锁的时候,就把当前线程放入到锁的等待队列,然后执行调度程序,把 CPU 让给其他线程执行。

无等待锁的实现

本次只是提出了两种简单锁的实现方式。当然,在具体操作系统实现中,会更复杂,但也离不开本例子两个基本元素。

如果你想要对锁的更进一步理解,推荐大家可以看《操作系统导论》第 28 章锁的内容,这本书在「微信读书」就可以免费看。

信号量

信号量是操作系统提供的一种协调共享资源访问的方法。

通常信号量表示资源的数量,对应的变量是一个整型(sem)变量。

另外,还有两个原子操作的系统调用函数来控制信号量的,分别是:

  • P 操作:将 sem 减 1,相减后,如果 sem < 0,则进程/线程进入阻塞等待,否则继续,表明 P 操作可能会阻塞;

  • V 操作:将 sem 加 1,相加后,如果 sem <= 0,唤醒一个等待中的进程/线程,表明 V 操作不会阻塞;

P 操作是用在进入临界区之前,V 操作是用在离开临界区之后,这两个操作是必须成对出现的。

举个类比,2 个资源的信号量,相当于 2 条火车轨道,PV 操作如下图过程:

信号量与火车轨道

操作系统是如何实现 PV 操作的呢?

信号量数据结构与 PV 操作的算法描述如下图:

PV 操作的算法描述

PV 操作的函数是由操作系统管理和实现的,所以操作系统已经使得执行 PV 函数时是具有原子性的。

PV 操作如何使用的呢?

信号量不仅可以实现临界区的互斥访问控制,还可以线程间的事件同步。

我们先来说说如何使用信号量实现临界区的互斥访问

为每类共享资源设置一个信号量 s,其初值为 1,表示该临界资源未被占用。

只要把进入临界区的操作置于 P(s) 和 V(s) 之间,即可实现进程/线程互斥:

此时,任何想进入临界区的线程,必先在互斥信号量上执行 P 操作,在完成对临界资源的访问后再执行 V 操作。由于互斥信号量的初始值为 1,故在第一个线程执行 P 操作后 s 值变为 0,表示临界资源为空闲,可分配给该线程,使之进入临界区。

若此时又有第二个线程想进入临界区,也应先执行 P 操作,结果使 s 变为负值,这就意味着临界资源已被占用,因此,第二个线程被阻塞。

并且,直到第一个线程执行 V 操作,释放临界资源而恢复 s 值为 0 后,才唤醒第二个线程,使之进入临界区,待它完成临界资源的访问后,又执行 V 操作,使 s 恢复到初始值 1。

对于两个并发线程,互斥信号量的值仅取 1、0 和 -1 三个值,分别表示:

  • 如果互斥信号量为 1,表示没有线程进入临界区;

  • 如果互斥信号量为 0,表示有一个线程进入临界区;

  • 如果互斥信号量为 -1,表示一个线程进入临界区,另一个线程等待进入。

通过互斥信号量的方式,就能保证临界区任何时刻只有一个线程在执行,就达到了互斥的效果。

再来,我们说说如何使用信号量实现事件同步

同步的方式是设置一个信号量,其初值为 0

我们把前面的「吃饭-做饭」同步的例子,用代码的方式实现一下:

妈妈一开始询问儿子要不要做饭时,执行的是 P(s1) ,相当于询问儿子需不需要吃饭,由于 s1 初始值为 0,此时 s1 变成 -1,表明儿子不需要吃饭,所以妈妈线程就进入等待状态。

当儿子肚子饿时,执行了 V(s1),使得 s1 信号量从 -1 变成 0,表明此时儿子需要吃饭了,于是就唤醒了阻塞中的妈妈线程,妈妈线程就开始做饭。

接着,儿子线程执行了 P(s2),相当于询问妈妈饭做完了吗,由于 s2 初始值是 0,则此时 s2 变成 -1,说明妈妈还没做完饭,儿子线程就等待状态。

最后,妈妈终于做完饭了,于是执行 V(s2)s2 信号量从 -1 变回了 0,于是就唤醒等待中的儿子线程,唤醒后,儿子线程就可以进行吃饭了。

生产者-消费者问题

生产者-消费者模型

生产者-消费者问题描述:

  • 生产者在生成数据后,放在一个缓冲区中;

  • 消费者从缓冲区取出数据处理;

  • 任何时刻,只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区;

我们对问题分析可以得出:

  • 任何时刻只能有一个线程操作缓冲区,说明操作缓冲区是临界代码,需要互斥

  • 缓冲区空时,消费者必须等待生产者生成数据;缓冲区满时,生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步

那么我们需要三个信号量,分别是:

  • 互斥信号量 mutex:用于互斥访问缓冲区,初始化值为 1;

  • 资源信号量 fullBuffers:用于消费者询问缓冲区是否有数据,有数据则读取数据,初始化值为 0(表明缓冲区一开始为空);

  • 资源信号量 emptyBuffers:用于生产者询问缓冲区是否有空位,有空位则生成数据,初始化值为 n (缓冲区大小);

具体的实现代码:

如果消费者线程一开始执行 P(fullBuffers),由于信号量 fullBuffers 初始值为 0,则此时 fullBuffers 的值从 0 变为 -1,说明缓冲区里没有数据,消费者只能等待。

接着,轮到生产者执行 P(emptyBuffers),表示减少 1 个空槽,如果当前没有其他生产者线程在临界区执行代码,那么该生产者线程就可以把数据放到缓冲区,放完后,执行 V(fullBuffers) ,信号量 fullBuffers 从 -1 变成 0,表明有「消费者」线程正在阻塞等待数据,于是阻塞等待的消费者线程会被唤醒。

消费者线程被唤醒后,如果此时没有其他消费者线程在读数据,那么就可以直接进入临界区,从缓冲区读取数据。最后,离开临界区后,把空槽的个数 + 1。


经典同步问题

哲学家就餐问题

当初我在校招的时候,面试官也问过「哲学家就餐」这道题目,我当时听的一脸懵逼,无论面试官怎么讲述这个问题,我也始终没听懂,就莫名其妙的说这个问题会「死锁」。

当然,我这回答槽透了,所以当场 game over,残酷又悲惨故事,就不多说了,反正当时菜就是菜。

时至今日,看我来图解这道题。

哲学家就餐的问题

先来看看哲学家就餐的问题描述:

  • 5 个老大哥哲学家,闲着没事做,围绕着一张圆桌吃面;

  • 巧就巧在,这个桌子只有 5 支叉子,每两个哲学家之间放一支叉子;

  • 哲学家围在一起先思考,思考中途饿了就会想进餐;

  • 奇葩的是,这些哲学家要两支叉子才愿意吃面,也就是需要拿到左右两边的叉子才进餐

  • 吃完后,会把两支叉子放回原处,继续思考

那么问题来了,如何保证哲学家们的动作有序进行,而不会出现有人永远拿不到叉子呢?

方案一

我们用信号量的方式,也就是 PV 操作来尝试解决它,代码如下:

上面的程序,好似很自然。拿起叉子用 P 操作,代表有叉子就直接用,没有叉子时就等待其他哲学家放回叉子。

方案一的问题

不过,这种解法存在一个极端的问题:假设五位哲学家同时拿起左边的叉子,桌面上就没有叉子了, 这样就没有人能够拿到他们右边的叉子,也就说每一位哲学家都会在 P(fork[(i + 1) % N ]) 这条语句阻塞了,很明显这发生了死锁的现象

方案二

既然「方案一」会发生同时竞争左边叉子导致死锁的现象,那么我们就在拿叉子前,加个互斥信号量,代码如下:

上面程序中的互斥信号量的作用就在于,只要有一个哲学家进入了「临界区」,也就是准备要拿叉子时,其他哲学家都不能动,只有这位哲学家用完叉子了,才能轮到下一个哲学家进餐。

方案二的问题

方案二虽然能让哲学家们按顺序吃饭,但是每次进餐只能有一位哲学家,而桌面上是有 5 把叉子,按道理是能可以有两个哲学家同时进餐的,所以从效率角度上,这不是最好的解决方案。

方案三

那既然方案二使用互斥信号量,会导致只能允许一个哲学家就餐,那么我们就不用它。

另外,方案一的问题在于,会出现所有哲学家同时拿左边刀叉的可能性,那我们就避免哲学家可以同时拿左边的刀叉,采用分支结构,根据哲学家的编号的不同,而采取不同的动作。

即让偶数编号的哲学家「先拿左边的叉子后拿右边的叉子」,奇数编号的哲学家「先拿右边的叉子后拿左边的叉子」。

上面的程序,在 P 操作时,根据哲学家的编号不同,拿起左右两边叉子的顺序不同。另外,V 操作是不需要分支的,因为 V 操作是不会阻塞的。

方案三可解决问题

方案三即不会出现死锁,也可以两人同时进餐。

方案四

在这里再提出另外一种可行的解决方案,我们用一个数组 state 来记录每一位哲学家在进程、思考还是饥饿状态(正在试图拿叉子)。

那么,一个哲学家只有在两个邻居都没有进餐时,才可以进入进餐状态。

第 i 个哲学家的左邻右舍,则由宏 LEFT 和 RIGHT 定义:

  • LEFT : ( i + 5  - 1 ) % 5

  • RIGHT : ( i + 1 ) % 5

比如 i 为 2,则 LEFT 为 1,RIGHT 为 3。

具体代码实现如下:

上面的程序使用了一个信号量数组,每个信号量对应一位哲学家,这样在所需的叉子被占用时,想进餐的哲学家就被阻塞。

注意,每个进程/线程将 smart_person 函数作为主代码运行,而其他 take_forksput_forks 和 test 只是普通的函数,而非单独的进程/线程。

方案四也可解决问题

方案四同样不会出现死锁,也可以两人同时进餐。

读者-写者问题

前面的「哲学家进餐问题」对于互斥访问有限的竞争问题(如 I/O 设备)一类的建模过程十分有用。

另外,还有个著名的问题是「读者-写者」,它为数据库访问建立了一个模型。

读者只会读取数据,不会修改数据,而写者即可以读也可以修改数据。

读者-写者的问题描述:

  • 「读-读」允许:同一时刻,允许多个读者同时读

  • 「读-写」互斥:没有写者时读者才能读,没有读者时写者才能写

  • 「写-写」互斥:没有其他写者时,写者才能写

接下来,提出几个解决方案来分析分析。

方案一

使用信号量的方式来尝试解决:

  • 信号量 wMutex:控制写操作的互斥信号量,初始值为 1 ;

  • 读者计数 rCount:正在进行读操作的读者个数,初始化为 0;

  • 信号量 rCountMutex:控制对 rCount 读者计数器的互斥修改,初始值为 1;

接下来看看代码的实现:

上面的这种实现,是读者优先的策略,因为只要有读者正在读的状态,后来的读者都可以直接进入,如果读者持续不断进入,则写者会处于饥饿状态。

方案二

那既然有读者优先策略,自然也有写者优先策略:

  • 只要有写者准备要写入,写者应尽快执行写操作,后来的读者就必须阻塞;

  • 如果有写者持续不断写入,则读者就处于饥饿;

在方案一的基础上新增如下变量:

  • 信号量 rMutex:控制读者进入的互斥信号量,初始值为 1;

  • 信号量 wDataMutex:控制写者写操作的互斥信号量,初始值为 1;

  • 写者计数 wCount:记录写者数量,初始值为 0;

  • 信号量 wCountMutex:控制 wCount 互斥修改,初始值为 1;

具体实现如下代码:

注意,这里 rMutex 的作用,开始有多个读者读数据,它们全部进入读者队列,此时来了一个写者,执行了 P(rMutex) 之后,后续的读者由于阻塞在 rMutex 上,都不能再进入读者队列,而写者到来,则可以全部进入写者队列,因此保证了写者优先。

同时,第一个写者执行了 P(rMutex) 之后,也不能马上开始写,必须等到所有进入读者队列的读者都执行完读操作,通过 V(wDataMutex) 唤醒写者的写操作。

方案三

既然读者优先策略和写者优先策略都会造成饥饿的现象,那么我们就来实现一下公平策略。

公平策略:

  • 优先级相同;

  • 写者、读者互斥访问;

  • 只能一个写者访问临界区;

  • 可以有多个读者同时访问临街资源;

具体代码实现:

看完代码不知你是否有这样的疑问,为什么加了一个信号量 flag,就实现了公平竞争?

对比方案一的读者优先策略,可以发现,读者优先中只要后续有读者到达,读者就可以进入读者队列, 而写者必须等待,直到没有读者到达。

没有读者到达会导致读者队列为空,即 rCount==0,此时写者才可以进入临界区执行写操作。

而这里 flag 的作用就是阻止读者的这种特殊权限(特殊权限是只要读者到达,就可以进入读者队列)。

比如:开始来了一些读者读数据,它们全部进入读者队列,此时来了一个写者,执行 P(falg) 操作,使得后续到来的读者都阻塞在 flag 上,不能进入读者队列,这会使得读者队列逐渐为空,即 rCount 减为 0。

这个写者也不能立马开始写(因为此时读者队列不为空),会阻塞在信号量 wDataMutex 上,读者队列中的读者全部读取结束后,最后一个读者进程执行 V(wDataMutex),唤醒刚才的写者,写者则继续开始进行写操作。





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