線程安全是什么

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

內容大綱

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），阿星一個健步進入廁所把門鎖住（線程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，一切都是那么井然有序。

假設門鎖壞了，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，還有數組越界了。

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

競爭條件

因為多線程共享進程資源，在操作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，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，創建兩個線程，它們分別對共享變量 i 自增 1 執行 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，我們執行下代碼看看結果

• 結果：2000

• 結果：1855

運行了兩次，結果分別是1855、2000，我們發現每次運行的結果不同，這在計算機里是不能容忍的，雖然是小概率出現的錯誤，但是小概率它一定是會發生的。

匯編指令

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

好家伙，一個加法動作，在 C P U 運行，實際要執行 3 條指令。

現在模擬下線程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。

操作系統調度線程B執行，此時的內存變量 i 依然還是 0，線程B執行與線程A一樣的步驟，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時間片使用完后，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，最后的 i 值應該是 2，但是由于不可控的調度，導致最后 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，由于運氣不好，在執行過程中發生線程上下文切換，最后得到錯誤的結果，事實上，每次運行都可能得到不同的結果，因此輸出的結果存在不確定性（indeterminate）。

互斥與同步

為了解決因競爭條件出現的線程安全，操作系統是通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導致競爭狀態，因此我們將此段代碼稱為臨界區（critical section），它是執行共享資源的代碼片段，一定不能給多線程同時執行。

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

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，但是它沒有解決「多進程/線程」協同工作的問題

我們都知道在多線程里，每個線程一定是順序執行的，它們各自獨立，以不可預知的速度向前推進，但有時候我們希望多個線程能密切合作，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，需要等研「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：某一資源同時只允許一個訪問者對其進行訪問，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 不能在同一時刻執行）

• 同步：互斥的基礎上，通過其它機制實現訪問者對資源的有序訪問。在大多數情況下，同步已經實現了互斥（操作 A 應在操作 B 之前執行，操作 C 必須在操作 A 和操作 B 都完成之后才能執行）

顯然，同步是一種更為復雜的互斥，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行，他們會相互排斥，必須等待一個線程運行完畢，另一個才能運行，而同步也是不能同時運行，但他是必須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

互斥與同步可以保證「多進程/線程間正確協作」 ，但是互斥與同步僅僅只是概念，操作系統必須要提供對應的實現，針對互斥與同步的實現有下面兩種

• 鎖：加鎖、解鎖操作（互斥）

• 信號量：P、V 操作（同步）

這兩個種方式都可以實現「多進程/線程」互斥，信號量比鎖的功能更強一些，它還可以方便地實現「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，必須先執行加鎖操作，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。

鎖的實現方式又分為「忙等待鎖」和「無忙等待鎖」

忙等鎖

檢查并設置（test-and-set-lock，TSL）是一種不可中斷的原子運算，它屬于原子操作指令，可以通過它來實現忙等鎖（自旋鎖）。

test-and-set-lock 指令偽代碼

檢查并設置做了如下幾個步驟

• 檢查舊值是否相等

• 相等設置新值，返回原舊值（成功）

• 不相等，無任何操作，直接返回原舊值（失敗）

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行或都不執行，不會出現執行到一半的中間狀態.

偽代碼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 通過，更新原舊值 0 為新值 1，返回原舊值 0，獲取鎖成功，離開臨界區時，執行 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：假設兩個線程，線程A訪問臨界區，執行 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為止，當線程A離開臨界區時，執行 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。

當獲取不到鎖時，線程就會一直 wile 循環，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，需要搶占式的調度器（即不斷通過時鐘中斷一個線程，運行其他線程）。否則，自旋鎖在 C P U 上無法使用，因為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列，讓出 C P U 給其他線程，其他線程釋放鎖時，再從等待隊列喚醒該線程。

兩種鎖的實現都是基于檢查并設置（test-and-set-lock，TSL），上面只是簡單的偽代碼，實際上操作系統的實現會更復雜，但是基本思想與大致流程還是與本例一樣。

信號量

操作系統中協調「多線程/進程」共同配合工作，就是通過信號量實現的，通常信號量代表「資源數量」，對應一個整型（s e n）變量，還有兩個原子操作的系統調用函數來控制「資源數量」。

• P 操作：將 s e n 減 1，相減后，如果 s e n < 0 ，則進程/線程進入阻塞等待，否則繼續，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，喚醒等待中的進程/線程，V 操作不會阻塞

P V操作必須是成對出現，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，因為醫生只有兩位（相當于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

使用偽代碼實現P V 信號量

P V操作的函數是由操作系統管理和實現的，所以 P V 函數是具有原子性的。

實踐

信號量還是比較有意思的，這里來做幾個實踐，加深大家對信號量的理解，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非常簡單，信號量數量為1，線程進入臨界區進行 P 操作，離開臨界區進行 V 操作。

事件同步

以前面說的研發、質量管控線程為例子，實現事件同步的效果，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」，它們默認都是否，也就是 0，關鍵點就是對兩個信號量進行 P V 操作

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

• 如果沒有完成開發，this.rDSemaphore 減 1 結果為 -1，質量管控線程阻塞等待喚醒（等后續研發線程進行 V 操作）

• 如果完成開發，說明研發線程先執行 V 操作 v(this.rDSemaphore) 完成開發，this.rDSemaphore 加 1 結果 1，此時質量管控線程 P 操作 this.rDSemaphore 減 1 結果 0，進行后面的提測工作

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

• 如果不可以修復B U G，this.qualitySemaphore 減 1 結果為 -1，研發線程阻塞等待喚醒（等后續質量管控線程執行 V 操作）

• 如果可以修復B U G，說明質量管控線程先執行 V 操作 v(this.qualitySemaphore) 提交BUG， this.qualitySemaphore 加 1 結果為 1，此時研發線程 P 操作 this.qualitySemaphore 減 1 結果 0，進行后面的修復 B U G 操作

• 流程

• 質量管控線程執行 P 操作 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 操作 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 操作 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

• 質量管控線程喚醒后進行提測，提測完畢執行 V 操作 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，我們先分析下有那些角色

• 生產者：生產事件放入緩沖區

• 消費者：從緩沖區消費事件

• 緩沖區：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，說明操作緩沖區是臨界代碼，需要互斥

• 緩沖區空時，消費者必須等待生產者生成數據

• 緩沖區滿時，生產者必須等待消費者取出數據

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，初始化 1

• 消費者資源信號量：緩沖區是否有事件，初始化 0，無事件

• 生產者信號量：緩沖區是否有空位裝載事件，初始化 N （緩沖區大小）

偽代碼如下

關鍵的 P V 操作如下

• 生產線程，在往緩沖區裝載事件之前，執行 P 操作 p(this.produceSemaphore) ，緩沖區空槽數量減 1，結果 < 0 說明無空槽，阻塞等待「消費線程」喚醒，否則執行后續邏輯

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

• 消費線程，在從緩存區消費事件之前，執行 P 操作 p(this.consumeSemaphore)，緩沖區事件數量減 1，結果 < 0 說明緩沖區無事件消費，阻塞等待「生產線程」喚醒，否執行后續邏輯

• 生產線程與消費線程，執行完「裝載/消費」后，都要喚醒對應的「生產/消費線程」，執行 V 操作「緩沖區空槽加 1/緩沖區事件加 1」

看完上述內容，你們對線程安全是什么有進一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關內容，請關注億速云行業資訊頻道，感謝大家的支持。