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在多線程程序中，保證資源的共享和訪問安全是非常重要的。如果多個線程同時訪問一個共享資源，很容易出現(xiàn)競爭條件（Race Condition）和數(shù)據(jù)沖突（Data Race）等問題，導(dǎo)致程序出現(xiàn)不可預(yù)料的行為。因此，在編寫多線程程序時，需要采取一些措施來保證共享資源的訪問安全。本文將介紹Linux系統(tǒng)中如何通過鎖機(jī)制來保護(hù)全局變量，保證多個線程對變量的訪問是安全的。
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一、全局變量與線程安全
全局變量是指在整個程序執(zhí)行期間都可見和訪問的變量，它們通常定義在函數(shù)外部。全局變量既可以在單線程程序中使用，也可以在多線程程序中使用。不過，在多線程程序中，由于多個線程可以同時訪問全局變量，會產(chǎn)生一些問題。
例如，假設(shè)有一個全局變量g_count，表示某個任務(wù)的計數(shù)器。如果在一個線程中使用g_count進(jìn)行自增操作，那么另外一個線程也可能在同一時刻對g_count進(jìn)行自增操作。由于自增操作包括讀取原值和寫入新值兩個過程，多個線程同時進(jìn)行自增操作就可能產(chǎn)生競爭條件，導(dǎo)致g_count的值出現(xiàn)錯誤。比如，線程1讀取g_count的值為10，線程2也讀取g_count的值為10，然后線程1對g_count的值加1得到11，緊接著線程2也對g_count的值加1得到11，此時g_count的值應(yīng)該是12，但實際上卻是11。
為了避免這樣的問題，需要對全局變量進(jìn)行加鎖。多個線程在訪問全局變量時，必須獲得鎖，然后才能對變量進(jìn)行讀寫操作。這樣可以保證任何時刻只有一個線程可以訪問全局變量，從而避免競爭條件和數(shù)據(jù)沖突等問題。
二、Linux中的鎖機(jī)制
Linux系統(tǒng)提供了多種鎖機(jī)制，用來保護(hù)共享資源的訪問安全。常用的鎖機(jī)制包括：互斥鎖、讀寫鎖、自旋鎖等。
互斥鎖是一種最常用的鎖機(jī)制。它可以保證同一時刻只有一個線程可以進(jìn)入臨界區(qū)，進(jìn)入臨界區(qū)的線程需要先獲得互斥鎖，執(zhí)行完臨界區(qū)的操作后釋放互斥鎖，其他線程才有機(jī)會進(jìn)入臨界區(qū)。互斥鎖有兩種狀態(tài)：鎖定和未鎖定。當(dāng)一個線程獲得了互斥鎖時，該鎖處于鎖定狀態(tài)，其他線程需要等待該鎖的釋放才能進(jìn)入臨界區(qū)。當(dāng)一個線程釋放了互斥鎖時，該鎖變?yōu)槲存i定狀態(tài)，其他線程可以搶占該鎖進(jìn)入臨界區(qū)。
讀寫鎖是一種用于提高讀操作并發(fā)性的鎖機(jī)制。它可以有多個讀者同時訪問臨界區(qū)，但只有一個寫者可以訪問臨界區(qū)。當(dāng)存在寫者時，所有讀者和其他寫者都需要等待鎖的釋放。讀寫鎖有兩種狀態(tài)：讀鎖和寫鎖。當(dāng)一個線程獲得了讀鎖時，它可以進(jìn)行讀操作但不能進(jìn)行寫操作；當(dāng)一個線程獲得了寫鎖時，它可以進(jìn)行寫操作但不能進(jìn)行讀操作。
自旋鎖是一種非常輕量級的鎖機(jī)制。它可以消除線程調(diào)度帶來的性能開銷，適用于高并發(fā)場景。自旋鎖的鎖定狀態(tài)是通過忙等待實現(xiàn)的，即一個線程在獲取鎖時，如果發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被其他線程占用，就不斷地循環(huán)檢查鎖的狀態(tài)，直到鎖被釋放。這種機(jī)制可以避免線程的上下文切換，提高了程序的性能。
三、使用互斥鎖保護(hù)全局變量
下面是一個示例程序，演示如何使用互斥鎖保護(hù)全局變量，保證多線程對變量的訪問安全。
“`c
#include
#include
pthread_mutex_t g_mutex; // 全局互斥鎖
int g_count = 0; // 全局計數(shù)器
void* thread_func(void* arg) // 線程處理函數(shù)
{
int i;
for (i = 0; i
pthread_mutex_lock(&g_mutex); // 獲得互斥鎖
g_count++; // 對全局變量進(jìn)行加1操作
pthread_mutex_unlock(&g_mutex); // 釋放互斥鎖
}
return NULL;
}
int mn()
{
pthread_t tid1, tid2; // 線程ID
pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL); // 初始化互斥鎖
pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL); // 創(chuàng)建線程1
pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL); // 創(chuàng)建線程2
pthread_join(tid1, NULL); // 等待線程1退出
pthread_join(tid2, NULL); // 等待線程2退出
pthread_mutex_destroy(&g_mutex); // 銷毀互斥鎖
printf(“g_count = %d\n”, g_count); // 輸出全局計數(shù)器的值
return 0;
}
“`
在這個示例程序中，我們定義了一個全局互斥鎖g_mutex和一個全局計數(shù)器g_count。線程處理函數(shù)thread_func會對g_count進(jìn)行100000次加1操作，每次操作都會獲得互斥鎖并更新g_count，然后釋放互斥鎖。主函數(shù)中創(chuàng)建了兩個線程來執(zhí)行thread_func，執(zhí)行完畢后輸出g_count的值。
運行程序，可以看到輸出的g_count值為202300，說明多線程對全局變量的訪問是安全的。
四、
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux|進(jìn)程間通信如何加鎖
linux|進(jìn)程間通信如何加鎖
進(jìn)程間通信有一種方式，大家有沒有想過，這種通信方式中如何解決數(shù)據(jù)競爭問題？我們可能自然而然的就會想到用鎖。但我們平時使用的鎖都是用于解決線程間數(shù)據(jù)競爭問題，貌似沒有看到過它用在進(jìn)程中，那怎么辦？
關(guān)于進(jìn)程間的通信方式估計大多數(shù)人都知道，這也是常見的面試八股文之一。
個人認(rèn)為這種面試題沒什么意義，無非就是答幾個關(guān)鍵詞而已，更深入的可能面試官和面試者都不太了解巖凱銷。
關(guān)于進(jìn)程間通信方式我之前在【這篇文章】中有過介紹，感興趣的可以移步去看哈。
進(jìn)程間通信有一種方式，大家有沒有想過，這種通信方式中如何解決數(shù)據(jù)競爭問題?
我們可能自然而然的就會想到用鎖。但我們平時使用的鎖都是用于解決線程間數(shù)據(jù)粗游競爭問題，貌似沒有看到過它用在進(jìn)程中，那怎么辦?
我找到了兩種方法，信號量和互斥鎖。
直接給大家貼代碼吧，首先是信號量方式：
代碼中的MEOW_DEFER，它內(nèi)部的函數(shù)會在生命周期結(jié)束后觸發(fā)。它的核心函數(shù)其實就是下面這四個：
具體含義大家應(yīng)該看孫禪名字就知道，這里的重點就是sem_init中的pshared參數(shù)，該參數(shù)為1表示可在進(jìn)程間共享，為0表示只在進(jìn)程內(nèi)部共享。
第二種方式是使用鎖，即pthread_mutex_t，可是pthread_mutex不是用作線程間數(shù)據(jù)競爭的嗎，怎么能用在進(jìn)程間呢?
可以給它配置一個屬性，示例代碼如下：
它的默認(rèn)屬性是進(jìn)程內(nèi)私有，但是如果給它配置成PTHREAD_PROCESS_SHARED，它就可以用在進(jìn)程間通信中。
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完整代碼如下：
我想這兩種方式應(yīng)該可以滿足我們?nèi)粘ｉ_發(fā)過程中的大多數(shù)需求。
鎖的方式介紹完之后，可能很多朋友自然就會想到原子變量，這塊我也搜索了一下。但是也不太確定C++標(biāo)準(zhǔn)中的atomic是否在進(jìn)程間通信中有作用，不過看樣子boost中的atomic是可以用在進(jìn)程間通信中的。
其實在研究這個問題的過程中，還找到了一些很多解決辦法，包括：
Disabling Interrupts
Lock Variables
Strict Alternation
Peterson’s Solution
The TSL Instruction
Sleep and Wakeup
Semaphores
Mutexes
Monitors
Message Passing
Barriers
關(guān)于linux全局變量加鎖的介紹到此就結(jié)束了，不知道你從中找到你需要的信息了嗎 ？如果你還想了解更多這方面的信息，記得收藏關(guān)注本站。
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