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1. 為什么需要同步？

上面的圖是從《高級(jí)編程》中截的圖，雖然它是針對(duì)線程的，但是這里要說(shuō)明，不僅僅線程要考慮這個(gè)問(wèn)題，只要涉及到并發(fā)的程序，都要考慮同步。比如多進(jìn)程共享內(nèi)存，比如某個(gè)驅(qū)動(dòng)會(huì)同時(shí)被打開(kāi)，而且會(huì)被幾個(gè)進(jìn)程同時(shí)修改驅(qū)動(dòng)中的值或者寄存器......

原理上都是一樣的，多線程并發(fā)訪問(wèn)是一定要注意的，因?yàn)橥�一進(jìn)程的多個(gè)線程本身就共享進(jìn)程資源或者說(shuō)變量的內(nèi)存。就拿上圖來(lái)說(shuō)，我們對(duì)i變量的值+1操作，那么這個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的+1操作真正到了CPU上會(huì)怎么執(zhí)行呢?通常分為3步：

(1) 從內(nèi)存單元讀入寄存器

(2) 在寄存器上進(jìn)行變量值增加

(3) 把新的值寫(xiě)回內(nèi)存單元

這就導(dǎo)致了上圖的問(wèn)題，A線程在把i從內(nèi)存讀入寄存器改變過(guò)程中(還沒(méi)寫(xiě)回到內(nèi)存)，B線程也對(duì)i做了同樣操作，以至于后結(jié)果就是讀入的都是5，寫(xiě)入的都是6，那么本來(lái)我們是要對(duì)i增加2次的，實(shí)際卻增加了1次。這種操作時(shí)間問(wèn)題可能發(fā)生在ns級(jí)別，但是以當(dāng)今處理器動(dòng)輒幾GHZ的速度來(lái)說(shuō)，發(fā)生這種情況概率還是很大的。

2.驗(yàn)證試驗(yàn)

下面我們就做實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)際看看這種情況。

看下程序：

1. #include

2. #include

3. #include

4. #include

5.

6. #define NUM 40000000

7.

8. pthread_t tid1;

9. pthread_t tid2;

10.

11. unsigned int count1 = 0;

12. unsigned int count2 = 0;

13. unsigned int count = 0;

14.

15. void * thr_fn1(void *arg)

16. {

17. while(count1

18. {

19. count++;

20. count1++;

21. }

22. }

23.

24. void * thr_fn2(void *arg)

25. {

26. while(count2

27. {

28. count++;

29. count2++;

30. }

31. }

32.

33. int main(void)

34. {

35. int err;

36.

37. err = pthread_create(&tid1, NULL, thr_fn1, NULL);

38. if (err != 0)

39. perror("can't create thread1");

40.

41. err = pthread_create(&tid2, NULL, thr_fn2, NULL);

42. if (err != 0)

43. perror("can't create thread2");

44.

45. pthread_join(tid1, NULL);

46. pthread_join(tid2, NULL);

47.

48. printf("count = %u, count1 = %u, count2 = %u\n", count, count1, count2);

49. exit(0);

50. }

程序很簡(jiǎn)單，就是創(chuàng)建兩個(gè)線程，然后每個(gè)線程分別對(duì)count增加40000000 值，這個(gè)值是我隨便選的，只要大一點(diǎn)就行，但是別超了2^32。而count1和count2分別來(lái)記錄兩個(gè)線程對(duì)count分別增加了多少次，其實(shí)有NUM控制就好了，不過(guò)為了對(duì)比，我們加入這兩個(gè)變量。主進(jìn)程創(chuàng)建兩個(gè)線程后我們用pthread_join函數(shù)來(lái)等待兩個(gè)線程執(zhí)行完畢，并打印三個(gè)值比較得出結(jié)果。

首先在PC機(jī)上看下結(jié)果，CPU是雙核2.6GHZ的，運(yùn)行環(huán)境是ubuntu，順便用time命令查看下執(zhí)行時(shí)間：

從上圖可以看出，兩個(gè)線程對(duì)count進(jìn)行總共80000000次累加大概需要2ms多一點(diǎn)，測(cè)了6次有2次是有問(wèn)題的，即count != count1 + count2，概率還是比較大的。

然后我把相同的代碼重新編譯拿到AM335x(TI A8單核600MHZ)運(yùn)行，結(jié)果如下

這個(gè)時(shí)間程序耗時(shí)就明顯長(zhǎng)了，需要大概4s，本來(lái)我以為單核處理器出錯(cuò)概率會(huì)小，沒(méi)想到運(yùn)行5次結(jié)果居然全是錯(cuò)的。具體為什么會(huì)這樣沒(méi)去深究，猜想應(yīng)該和SMP機(jī)制及操作系統(tǒng)線程調(diào)度有關(guān)。這個(gè)結(jié)果更證明了線程同步的重要性，尤其是在嵌入式系統(tǒng)中。

3.同步問(wèn)題解決方案

既然問(wèn)題都明白了，接下來(lái)當(dāng)然是解決方案了，解決這種同步問(wèn)題經(jīng)典的方案就是鎖了，相信大部分人平時(shí)都用過(guò)。以linux線程庫(kù)提供的接口，代碼改為下面形式。

1. #define NUM 40000000

2. pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

3.

4. pthread_t tid1;

5. pthread_t tid2;

6.

7. unsigned int count1 = 0;

8. unsigned int count2 = 0;

9. unsigned int count = 0;

10.

11. void * thr_fn1(void *arg)

12. {

13. while(count1

14. {

15. pthread_mutex_lock(&lock);

16. count++;

17. pthread_mutex_unlock(&lock);

18.

19. count1++;

20. }

21. }

22.

23. void * thr_fn2(void *arg)

24. {

25. while(count2

26. {

27. pthread_mutex_lock(&lock);

28. count++;

29. pthread_mutex_unlock(&lock);

30.

31. count2++;

32. }

33. }

只列出了部分代碼，其它的都一樣，其實(shí)思想很簡(jiǎn)單，就是在并發(fā)訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)候，給這個(gè)共享變量加鎖，保證寫(xiě)操作的原子性即可。那么為什么count1和count2不用加鎖呢，因?yàn)閮蓚�(gè)變量本身就只在兩個(gè)線程中分別操作，所以沒(méi)必要加鎖。

后來(lái)看下結(jié)果，問(wèn)題本身已經(jīng)解決了，但是這次重點(diǎn)不在結(jié)果上，而在程序執(zhí)行時(shí)間上。這是在PC上結(jié)果：

這是在ARM上的結(jié)果：

加了這個(gè)操作后，PC上同一程序運(yùn)行時(shí)間多了10倍，板子上多了6倍。所以加鎖操作在保證了并發(fā)訪問(wèn)正確性同時(shí)，大大增加了程序運(yùn)行時(shí)間。所以我們?cè)诙噙M(jìn)程共享資源并發(fā)訪問(wèn)程序設(shè)計(jì)時(shí)候，需要綜合考慮程序的正確性和效率。