- 多线程抢票
实现多线程抢票的思路很简单：假设有1000张票，让5个线程去抢，直到票数为0为止。
代码语言：c++
#include <iostream> #include <unistd.h> #include <pThread.h> <h1>define N 5</h1><p>using namespace std;</p><p>int ticket = 1000;</p><p>void<em> pthreadRun(void</em> arg) { char<em> name = static_cast<char</em>>(arg); int sum = 0; while (true) { if (ticket > 0) { usleep(2000); --ticket; cout << name << "抢到一张票，还剩" << ticket << "张票" << endl; ++sum; } else { cout << name << "共抢到" << sum << "张票" << endl; break; } } return nullptr; }</p><p>int main() { pthread_t tids[N]; char* name[N] = {"thread-1", "thread-2", "thread-3", "thread-4", "thread-5"};</p><pre class="brush:php;toolbar:false">for (int i = 0; i < N; i++) { int ret = pthread_create(&tids[i], nullptr, pthreadRun, (void*)name[i]); if (ret != 0) { cout << "pthread_create error: error_code=" << ret << endl; } } for (int i = 0; i < N; i++) { pthread_join(tids[i], nullptr); } return 0;
}
在运行上述程序时，我们会发现最终票数居然变成了负数。然而，代码看起来并没有明显的错误。这是为什么呢？
- 原因分析 – 资源共享问题
在上面的抢票程序中，全局变量ticket是线程的共享资源。要修改ticket，需要执行以下三个步骤：
- 将ticket从内存拷贝到寄存器中。
- 在CPU内完成计算。
- 从寄存器中将结果转移回内存。
在单线程情况下，这三个步骤似乎没什么问题，因为计算机的速度非常快，用户几乎感觉不到延迟。然而，在多线程环境中，线程对共享资源的访问会存在竞争现象。
假设有两个线程，分别为thread1和thread2。在某个时刻，thread1准备修改ticket，将ticket拷贝到寄存器中时，thread2可能会抢占CPU，导致thread1的操作被中断。大多数情况下，这种情况不会发生，因为CPU的计算速度非常快，通常能完成所有操作。但是在抢票程序中，由于存在休眠操作（usleep），这种情况确实发生了。
当ticket等于1时，满足循环中的条件（ticket > 0）。假设此时thread-1在执行该操作，进入if语句后，执行休眠。但CPU可能不会立即开始休眠，而是选择运行下一个线程，假设是thread-2。由于ticket的值还没有被修改，仍然等于1，thread-2也满足if条件。其他线程同样如此。过了一段时间，thread-1醒来，开始执行ticket–操作，其他线程随后醒来也会执行ticket–操作，最终导致票数变成负数。
即使去掉usleep，负数情况的概率也会很低，但仍然可能发生。正确的解决方案是使用锁。
- 知识补充 – 临界资源
在多线程场景中，像ticket这样的可以被多个线程访问的共享资源称为临界资源。涉及对临界资源进行操作的代码区域称为临界区。
代码语言：C++
int ticket = 1000; // 临界资源</p><p>void<em> pthreadRun(void</em> arg) { char<em> name = static_cast<char</em>>(arg); int sum = 0; while (true) { // 临界区开始 if (ticket > 0) { usleep(2000); --ticket; cout << name << "抢到一张票，还剩" << ticket << "张票" << endl; ++sum; } else { cout << name << "共抢到" << sum << "张票" << endl; break; } // 临界区结束 } return nullptr; }
临界资源的本质是多线程共享资源，而临界区是涉及共享资源操作的代码区域。
- 知识补充 – ‘锁’
为了安全地访问临界资源，必须确保在使用时的安全性，这就是锁的作用。用生活中的例子来说，锁就像是进入房间的钥匙，只有持有钥匙的人才能进入房间。
对于临界资源也是如此，为了访问时的安全，可以通过加锁来实现。实现多线程间的互斥访问，互斥锁是解决多线程并发访问问题的手段之一。具体操作就是：在进入临界区之前加锁，离开临界区之后解锁。
还是以前面的抢票程序为例。假设此时正在执行的线程为thread-1，当它在访问ticket时如果进行了加锁，在thread-1被切走后，假设此时进入的线程为thread-2，thread-2无法对ticket进行操作，因为此时锁被thread-1持有，thread-2只能堵塞式等待锁，直到thread-1解锁。因此，对于thread-1来说，在加锁环境中，只要接手了访问临界资源ticket的任务，要么完成，要么不完成，不会出现中间状态。这种不会出现中间状态，结果可预期的特性称为原子性。也就是说，加锁的本质是为了实现原子性。
在加锁的同时，我们还需要注意以下几点：
- 加锁、解锁是比较耗费系统资源的，会在一定程度上降低程序的运行速度。
- 加锁后的代码是串行执行的，势必会影响多线程场景中的运行速度。
- 为了尽可能降低影响，加锁粒度要尽可能地细。
