19.【Linux系统编程】线程安全概述

1.线程安全和重入问题

1.1 相关概念

• 线程安全：就是多个线程在访问共享资源时，能够正确地执行，不会相互干扰或破坏彼此的执行结果。一般而言，多个线程并发同一段只有局部变量的代码时，不会出现不同的结果。但是对全局变量或者静态变量进行操作，并且没有锁保护的情况下，容易出现该问题。

• 重入：同一个函数被不同的执行流调用，当前一个流程还没有执行完，就有其他的执行流再次进入，我们称之为重入。一个函数在重入的情况下，运行结果不会出现任何不同或者任何问题，则该函数被称为可重入函数，否则，是不可重入函数。

学到现在，其实我们已经能理解重入其实可以分为两种情况

• 多线程重入函数

• 信号导致一个执行流重复进入函数

1.2 常见线程安全&不安全情况

常见的线程不安全的情况

• 不保护共享变量的函数

• 函数状态随着被调用，状态发生变化的函数

• 返回指向静态变量指针的函数

• 调用线程不安全函数的函数

常见的线程安全的情况

• 每个线程对全局变量或者静态变量只有读取的权限，而没有写入的权限，一般来说这些线程是安全的。

• 类或者接口对于线程来说都是原子操作

• 多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性

1.3 常见线程可重入&不可重入情况

常见不可重入的情况

• 调用了malloc/free函数，因为malloc函数是用全局链表来管理堆的

• 调用了标准I/O库函数，标准I/O库的很多实现都以不可重入的方式使用全局数据结构

• 可重入函数体内使用了静态的数据结构

常见可重入的情况

• 不使用全局变量或静态变量

• 不使用 malloc或者new开辟出的空间

• 不调用不可重入函数

• 不返回静态或全局数据，所有数据都有函数的调用者提供

• 使用本地数据，或者通过制作全局数据的本地拷贝来保护全局数据

1.4 结论

不要被上面绕口令式的话语唬住，你只要仔细观察，其实对应概念说的都是一回事。

📌 可重入与线程安全联系

• 函数是可重入的，那就是线程安全的(其实知道这一句话就够了)

• 函数是不可重入的，那就不能由多个线程使用，有可能引发线程安全问题

• 如果一个函数中有全局变量，那么这个函数既不是线程安全也不是可重入的。

📌 可重入与线程安全区别

• 可重入函数是线程安全函数的一种

• 线程安全不一定是可重入的，而可重入函数则一定是线程安全的。

• 如果将对临界资源的访问加上锁，则这个函数是线程安全的，但如果这个重入函数若锁还

• 未释放则会产生死锁，因此是不可重入的。

📌 注意：

• 如果不考虑 信号导致一个执行流重复进入函数 这种重入情况，线程安全和重入在安全角 度不做区分
• 但是线程安全侧重说明线程访问公共资源的安全情况，表现的是并发线程的特点
• 可重入描述的是一个函数是否能被重复进入，表示的是函数的特点

2. 常见锁的概念

2.1 死锁

• 死锁是指在一组进程中的各个进程均占有不会释放的资源，但因互相申请被其他进程所占用不会释放的资源而处于的一种永久等待状态。

• 为了方便表述，假设现在线程A，线程B必须同时持有锁1和锁2，才能进行后续资源的访问申请一把锁是原子的，但是申请两把锁就不一定了

造成的结果是

2.2 死锁的四个必要条件

1. 互斥条件：一个资源每次只能被一个执行流使用	2. 请求与保持条件：一个执行流因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放
好理解，不做解释
3. 不剥夺条件：一个执行流已获得的资源，在末使用完之前，不能强行剥夺	4. 循环等待条件：若干执行流之间形成一种头尾相接的循环等待资源的关系

2.3 避免死锁

• 破坏死锁的四个必要条件
  • 破坏循环等待条件问题：资源一次性分配， 使用超时机制、加锁顺序一致

2.4 避免死锁算法(不讲)5-4 避免死锁算法(不讲)

• 死锁检测算法(了解)

• 银行家算法（了解）

3. STL，智能指针和线程安全

3.1 STL中的容器是否是线程安全的?

不是.

原因是，STL 的设计初衷是将性能挖掘到极致，而一旦涉及到加锁保证线程安全，会对性能造成巨大的影响。

而且对于不同的容器，加锁方式的不同，性能可能也不同(例如hash表的锁表和锁桶)。

因此 STL 默认不是线程安全。如果需要在多线程环境下使用，往往需要调用者自行保证线程安全。

3.2 智能指针是否是线程安全的?

对于 unique_ptr，由于只是在当前代码块范围内生效，因此不涉及线程安全问题。

对于 shared_ptr，多个对象需要共用一个引用计数变量，所以会存在线程安全问题。但是标准库实现的时候考虑到了这个问题，基于原子操作(CAS)的方式保证 shared_ptr 能够高效，原子的操作引用计数。

4. 其他常见的各种锁

• 悲观锁：在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁（读锁，写锁，行锁等），当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。

• 乐观锁：每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式：版本号机制和CAS操作。

• CAS操作：当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。

• 自旋锁，读写锁，待补