什么是线程安全？一文带你深入理解

前言

欢迎来到操作系统系列，采用图解 + 大白话的形式来讲解，让小白也能看懂，帮助大家快速科普入门。

上篇文章有介绍过进程与线程的基础知识，进程下拥有多个线程，虽然多线程间通信十分方便（同进程），但是却带来了线程安全问题，本篇主要就是介绍操作系统中是用什么方法解决多线程安全，废话不多说，进入正文吧。

博主希望读者阅读文章后可以养成思考与总结的习惯，只有这样才能把知识消化成自己的东西，而不是单纯的去记忆

内容大纲

小故事

带薪蹲坑，相信都是大伙都爱做的事情，阿星也不例外，但是我司所在的楼层的坑位较少，粥少僧多，十分烦恼。

阿星（线程A）每次去厕所（共享资源），门都是锁着的，说明有同事在里面占着坑（线程B持有锁），只能无奈的在外面乖乖的等着，不久后冲水声响起，同事爽完出来（线程B释放锁），阿星一个健步进入厕所把门锁住（线程A持有锁），享受属于自己的空间，晚来的其他同事只能乖乖排队，一切都是那么井然有序。

假设门锁坏了，井然有序就不存在了，上厕所不再是享受，而是高度紧张，防止门突然被打开，更糟糕的是，开门时，是个妹子，这下不仅仅是线程安全问题，还有数组越界了。

故事说完，扯了那么多，就是想说明，在多线程环境里，对共享资源进行操作，如果多线程之间不做合理的协作（互斥与同步），那么一定会发生翻车现场。

竞争条件

因为多线程共享进程资源，在操作系统调度进程内的多线程时，必然会出现多线程竞争共享资源问题，如果不采取有效的措施，则会造成共享资源的混乱！

来写个小例子，创建两个线程，它们分别对共享变量 i 自增 1 执行 1000 次，如下代码

正常来说，i 变量最后的值是 2000 ，可是并非如此，我们执行下代码看看结果

• 结果：2000
• 结果：1855

运行了两次，结果分别是1855、2000，我们发现每次运行的结果不同，这在计算机里是不能容忍的，虽然是小概率出现的错误，但是小概率它一定是会发生的。

汇编指令

为了搞明白到底发生了什么事情，我们必须要了解汇编指令执行，以 i 加 1 为例子，汇编指令的执行过程如下

好家伙，一个加法动作，在 C P U 运行，实际要执行 3 条指令。

现在模拟下线程A与线程B的运行，假设此时内存变量 i 的值是 0，线程A加载内存的 i 值到寄存器，对寄存器 i 值加 1，此时 i 值是 1，正准备执行下一步寄存器 i 值回写内存，时间片使用完了，发生线程上下文切换，保存线程的私有信息到线程控制块T C P。

操作系统调度线程B执行，此时的内存变量 i 依然还是 0，线程B执行与线程A一样的步骤，它很幸运，在时间片使用完前，执行完了加 1，最终回写内存，内存变量 i 值是 1。

线程B时间片使用完后，发生线程上下文切换，回到线程A上次的状态继续执行，寄存器中的 i 值回写内存，内存变量再次被设置成 1。

按理说，最后的 i 值应该是 2，但是由于不可控的调度，导致最后 i 值是 1，下面是线程A与线程B的流程图

• 第一步：内存取出 i 值，加载进寄存器
• 第二步：对寄存器内的 i 值加 1
• 第三步：寄存器内的 i 值取出 加载进内存

小结

这种情况称为竞争条件（race condition），多线程相互竞争操作共享资源时，由于运气不好，在执行过程中发生线程上下文切换，最后得到错误的结果，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）。

互斥与同步

为了解决因竞争条件出现的线程安全，操作系统是通过互斥与同步来解决此类问题。

互斥概念

多线程执行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），它是执行共享资源的代码片段，一定不能给多线程同时执行。

所以我们希望这段代码是互斥（mutualexclusion）的，也就说执行临界区（critical section）代码段的只能有一个线程，其他线程阻塞等待，达到排队效果。

互斥并不只是针对多线程的竞争条件，同时还可用于多进程，避免共享资源混乱。

同步概念

互斥解决了「多进程/线程」对临界区使用的问题，但是它没有解决「多进程/线程」协同工作的问题

我们都知道在多线程里，每个线程一定是顺序执行的，它们各自独立，以不可预知的速度向前推进，但有时候我们希望多个线程能密切合作，以实现一个共同的任务。

所谓同步，就是「多进程/线程间」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。

举个例，有两个角色分别是研发、质量管控，质量管控测试功能，需要等研「发完成开发」，研发要修bug也要等质量管控「测试完成提交B U G」，正常流程是研发完成开发，通知质量管控进行测试，质量管控测试完成，通知研发人员修复bug。

互斥与同步的区别

• 互斥：某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的（操作 A 和操作 B 不能在同一时刻执行）
• 同步：互斥的基础上，通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥（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）

显然，同步是一种更为复杂的互斥，而互斥是一种特殊的同步。也就是说互斥是两个线程之间不可以同时运行，他们会相互排斥，必须等待一个线程运行完毕，另一个才能运行，而同步也是不能同时运行，但他是必须要按照某种次序来运行相应的线程（也是一种互斥）！　

互斥与同步的实现

互斥与同步可以保证「多进程/线程间正确协作」 ，但是互斥与同步仅仅只是概念，操作系统必须要提供对应的实现，针对互斥与同步的实现有下面两种

• 锁：加锁、解锁操作（互斥）
• 信号量：P、V 操作（同步）

这两个种方式都可以实现「多进程/线程」互斥，信号量比锁的功能更强一些，它还可以方便地实现「多进程/线程」同步。

锁

顾名思义，给临界区上一把锁，任何进入临界区）的线程，必须先执行加锁操作，加锁成功，才能进入临界区，在离开临界区时再释放锁，达到互斥的效果。

锁的实现方式又分为「忙等待锁」和「无忙等待锁」

忙等锁

检查并设置（test-and-set-lock，TSL）是一种不可中断的原子运算，它属于原子操作指令，可以通过它来实现忙等锁（自旋锁）。

test-and-set-lock 指令伪代码

检查并设置做了如下几个步骤

• 检查旧值是否相等
• 相等设置新值，返回原旧值（成功）
• 不相等，无任何操作，直接返回原旧值（失败）

上面的步骤，把它看成一步并具备原子性，原子性的意思是指全部执行或都不执行，不会出现执行到一半的中间状态.

伪代码testAndSetLock实现忙等锁（自旋锁）

下面两种场景运行

• 单线程：假设一个线程访问临界区，执行 getLock 方法，检查旧值 0 通过，更新原旧值 0 为新值 1，返回原旧值 0，获取锁成功，离开临界区时，执行 unLock 方法，检查旧值 1 通过，更新原旧值 1 为新值 0，释放锁成功。
• 多线程：假设两个线程，线程A访问临界区，执行 getLock 方法，检查旧值 0 通过，更新原旧值 0 为新值 1，返回原旧值 0，获取锁成功，此时线程B执行 getLock 方法，旧值检查失败，获取锁失败，一直循环直到更新成功为止，当线程A离开临界区时，执行 unLock 方法，检查旧值 1 通过，更新原旧值 1 为新值 0，释放锁成功，线程B获取锁成功。

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。

这是最简单的锁，一直自旋，利用 C P U 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 C P U 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 C P U。

无忙等锁

顾名思义，无忙等锁不需要主动自旋，被动等待唤醒即可，在没有获取到锁的时候，就把该线程加入到等待队列，让出 C P U 给其他线程，其他线程释放锁时，再从等待队列唤醒该线程。

两种锁的实现都是基于检查并设置（test-and-set-lock，TSL），上面只是简单的伪代码，实际上操作系统的实现会更复杂，但是基本思想与大致流程还是与本例一样。

信号量

操作系统中协调「多线程/进程」共同配合工作，就是通过信号量实现的，通常信号量代表「资源数量」，对应一个整型（s e n）变量，还有两个原子操作的系统调用函数来控制「资源数量」。

• P 操作：将 s e n 减 1，相减后，如果 s e n < 0 ，则进程/线程进入阻塞等待，否则继续，P 操作可能会阻塞
• V 操作：将 s e n 加 1 ，相加后，如果 s e n <= 0，唤醒等待中的进程/线程，V 操作不会阻塞

P V操作必须是成对出现，但是没有顺序要求，也就说你可以P V或V P。

举个例子，最近新冠病毒又出来捣乱了，为了自身安全，大家都去打疫苗，因为医生只有两位（相当于2个资源的信号量），所以同时只能为两个人接种疫苗，过程如下图

• 信号量等于 0 时，代表无资源可用
• 信号量小于 0 时，代表有线程在阻塞
• 信号量大于 0 时，代表资源可用

使用伪代码实现P V 信号量

P V操作的函数是由操作系统管理和实现的，所以 P V 函数是具有原子性的。

实践

信号量还是比较有意思的，这里来做几个实践，加深大家对信号量的理解，实践的内容分别是

• 信号量实现互斥
• 信号量实现事件同步
• 信号量实现生产者与消费者

互斥

使用信号量实现互斥非常简单，信号量数量为1，线程进入临界区进行 P 操作，离开临界区进行 V 操作。

事件同步

以前面说的研发、质量管控线程为例子，实现事件同步的效果，伪代码如下

首先抽象出两个信号量，「是否能提测」与「是否能修BUG」，它们默认都是否，也就是 0，关键点就是对两个信号量进行 P V 操作

• 质量管控线程询问开发线程有没有完成开发，执行 P 操作 p(this.rDSemaphore)

  • 如果没有完成开发，this.rDSemaphore 减 1 结果为 -1，质量管控线程阻塞等待唤醒（等后续研发线程进行 V 操作）
  • 如果完成开发，说明研发线程先执行 V 操作 v(this.rDSemaphore) 完成开发，this.rDSemaphore 加 1 结果 1，此时质量管控线程 P 操作 this.rDSemaphore 减 1 结果 0，进行后面的提测工作

• 研发线程询问质量管控线程能不能修复B U G，执行 P 操作 p(this.qualitySemaphore)

  • 如果不可以修复B U G，this.qualitySemaphore 减 1 结果为 -1，研发线程阻塞等待唤醒（等后续质量管控线程执行 V 操作）
  • 如果可以修复B U G，说明质量管控线程先执行 V 操作 v(this.qualitySemaphore) 提交BUG， this.qualitySemaphore 加 1 结果为 1，此时研发线程 P 操作 this.qualitySemaphore 减 1 结果 0，进行后面的修复 B U G 操作

• 流程

  • 质量管控线程执行 P 操作 p(this.rDSemaphore) 能不能提测，this.rDSemaphore 减 1 结果是 -1 ，不能进行提测，质量管控线程阻塞等待唤醒
  • 研发线程运行，执行 V 操作 v(this.rDSemaphore) 完成研发功能，this.rDSemaphore 加 1 结果是 0，通知质量管控线程提测
  • 研发线程继续执行 P 操作 p(this.qualitySemaphore) 能不能修复B U G，this.qualitySemaphor 减 1 结果是 -1，不能修复B U G，研发线程阻塞等待唤醒
  • 质量管控线程唤醒后进行提测，提测完毕执行 V 操作 v(this.qualitySemaphore) 完成提测与提交相关B U G，this.qualitySemaphore 加 1 结果是 0，通知研发线程进行B U G修复

生产者与消费者

生产者与消费者是一个比较经典的线程同步问题，我们先分析下有那些角色

• 生产者：生产事件放入缓冲区
• 消费者：从缓冲区消费事件
• 缓冲区：装载事件的容器

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

通过问题分析我们可以抽象出3个信号量

• 互斥信号量：互斥访问缓冲区，初始化 1
• 消费者资源信号量：缓冲区是否有事件，初始化 0，无事件
• 生产者信号量：缓冲区是否有空位装载事件，初始化 N （缓冲区大小）

伪代码如下

关键的 P V 操作如下

• 生产线程，在往缓冲区装载事件之前，执行 P 操作 p(this.produceSemaphore) ，缓冲区空槽数量减 1，结果 < 0 说明无空槽，阻塞等待「消费线程」唤醒，否则执行后续逻辑
• 不论是生产线程还是消费线程在操作缓冲区都要执行 P V 临界区操作 p(this.mutexSemaphore) 与 v(this.mutexSemaphore)，这里就不做过多概述了
• 消费线程，在从缓存区消费事件之前，执行 P 操作 p(this.consumeSemaphore)，缓冲区事件数量减 1，结果 < 0 说明缓冲区无事件消费，阻塞等待「生产线程」唤醒，否执行后续逻辑
• 生产线程与消费线程，执行完「装载/消费」后，都要唤醒对应的「生产/消费线程」，执行 V 操作「缓冲区空槽加 1/缓冲区事件加 1」

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