线程
POSIX，全称为可移植性操作系统接口。它包括了系统应用程序接口（简称API）。该标准的目的是定义了标准的基于UNIX操作系统的系统接口和环境来支持源代码级的可移植性，致力于提供基于不同语言的规范。POSIX的线程标准，定义了创建和操纵线程的一套API。
基本使用
#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>
void *run(void* args) {
//异步方法
int i = *(int*)i; // 1
return 0;
}
int main() {
int i = 1; //线程参数
pthread_create(&pid, 0, run, &i);//创建线程
pthread_join(pid,0)；//等待线程结束
system("pause");
return 0;
}
线程同步
多线程同时读写同一份共享资源的时候，可能会引起冲突。需要引入线程“同步”机制，即各位线程之间有序地对共享资源进行操作。
#include <pthread.h>
using namespace std;
queue<int> q;
void *pop(void* args) {
//线程未同步导致的多线程安全问题
// 会有重复的数据取出并出现异常
if (!q.empty())
{
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop();
}
else {
printf("无数据\n");
}
return 0;
}
int main()
{
for (size_t i = 0; i < 5; i++)
{
q.push(i);
}
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++)
{
pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
}
system("pause");
return 0;
}
互斥量
pthread_mutex_t 互斥量就是一把锁。 当一个线程要访问一个共享变量时，先用锁把变量锁住，操作完了之后再释放掉锁
当另一个线程也要访问这个变量时，发现这个变量被锁住了，此时无法访问，一直等待直到锁没了，才能够上锁与使用。
使用互斥量前要先初始化，使用的函数如下：
加入互斥锁
queue<int> q;
pthread_mutex_t mutex; //互斥量：锁
void *pop(void *args) {
// 锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop();
} else {
printf("无数据\n");
}
// 放
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 0;
}
int main() {
//初始化互斥锁
pthread_mutex_init(&mutex, 0);
for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
q.push(i);
}
pthread_t pid[10];
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
pthread_create(&pid[i], 0, pop, &q);
}
for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
pthread_join(pid[i], 0);
}
//需要释放
pthread_mutex_destroy(&mutex);
system("pause");
return 0;
}
但是pthread_mutex_t锁是默认是非递归的，即不可重入锁。如果一个线程多次获取同一个非递归锁，则会产生死锁：
#include <iostream>
#include <queue>
#include <pthread.h>
using namespace std;
//互斥量 : 锁
pthread_mutex_t mutex;
queue<int> q;
void test() {
pthread_mutex_lock(&mutex); //线程阻塞，死锁
printf("队列大小:%d\n", q.size());
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void *pop(void *args) {
int ret = pthread_mutex_lock(&mutex);
if (!q.empty()) {
printf("取出数据:%d\n", q.front());
q.pop();
} else {
printf("无数据\n");
}
test(); //死锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 0;
}
pthread_mutex_destroy(&mutex);
创建递归锁 需要在初始化pthread_mutex_t 时指明：
// 锁的属性 : pthread_mutex_t锁默认是非递归的
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
// 设置为递归锁
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
// 初始化mutex
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 完成初始化后即可释放
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
条件变量
条件变量是线程间进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立",从而唤醒挂起线程
如：
template <class T>
class SafeQueue {
public:
SafeQueue() {
pthread_mutex_init(&mutex,0);
}
~SafeQueue() {
pthread_mutex_destory(&mutex);
}
void enqueue(T t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
q.push(t);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
int dequeue(T& t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
if (!q.empty())
{
t = q.front();
q.pop();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 1;
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 0;
}
private:
queue<T> q;
pthread_mutex_t mutex;
};
上面的模板类存放数据T，并使用互斥锁保证对queue的操作是线程安全的。这就是一个生产/消费模式。
如果需要在取出数据的时候，queue为空，则一直等待，直到下一次enqueue加入数据。
此时可以加入条件变量使 “dequeue” 挂起,直到由其他地方唤醒：
#include <queue>
using namespace std;
template <class T>
class SafeQueue {
queue<T> q;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond; //条件变量
public:
SafeQueue() {
pthread_mutex_init(&mutex,0);
pthread_cond_init(&cond, 0); //初始化
}
~SafeQueue() {
pthread_mutex_destory(&mutex);
pthread_cond_destory(&cond); //销毁
}
void enqueue(T t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
q.push(t);
//发出信号 通知挂起线程
//1、由系统唤醒一个线程（随机）
//pthread_cond_signal(&cond);
//2、广播 唤醒所有等待条件线程
pthread_cond_broadcast(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
int dequeue(T& t) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
//可能因为某些特殊条件虚假唤醒 所以while循环等待唤醒。（与Java的wait一样）
while (q.empty())
{
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); //等待并自动释放互斥锁
}
t = q.front();
q.pop();
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return 1;
}
};
存在三个线程，分别为：生产者P、消费者C1与C2。
1、C1从队列中取出数据，此时队列为空；
2、C2也想从队列中获取一个元素，但此时队列为空，C2进入阻塞(cond.wait())，等待队列非空；
3、 P将一个元素入队，并唤醒条件变量；
4、C1与C2接收到唤醒信号，解除阻塞状态，上锁并获取队列中的元素;
5、C2优先获取到锁，移除队列元素并释放锁；
6、C1此时操作的队列为空，被虚假唤醒。
自动管理
在使用pthread_mutex_t时，lock之后，一定需要unlock。为了防止忘记解锁，同时方便使用，可以利用C++中构造方法与析构方法对锁进行封装，实现锁的自动管理。
//封装互斥量： 锁
class ThreadLock {
private:
pthread_mutex_t m_lock;
public:
ThreadLock() {
//递归锁
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);
pthread_mutex_init(&m_lock, &attr);
pthread_mutexattr_destroy(&attr);
}
~ThreadLock() {
pthread_mutex_destroy(&m_lock);
}
void lock() {
auto ret = pthread_mutex_lock(&m_lock);
if (ret != 0) {
//失败
}
}
bool try_lock() {
auto ret = pthread_mutex_trylock(&m_lock);
return (ret == 0);
}
void unlock() {
auto ret = pthread_mutex_unlock(&m_lock);
if (ret != 0) {
//失败
}
}
};
//模板类
template<typename T>
class ScopedLock {
T *m_lock;
//禁止使用编译器默认生成的函数
//默认拷贝构造与=赋值
ScopedLock(const ScopedLock<T> &other) = delete;
ScopedLock &operator=(const ScopedLock<T> &other) = delete;
public:
//构造方法中上锁
ScopedLock(T *oLock) : m_lock(oLock) {
assert(m_lock);
lock();
}
//析构方法解除锁
~ScopedLock() {
unlock();
m_lock = nullptr;
}
void lock() {
if (m_lock) {
m_lock->lock();
}
}
bool try_lock() {
if (m_lock) {
return m_lock->try_lock();
}
return false;
}
void unlock() {
if (m_lock) {
m_lock->unlock();
}
}
};
//宏函数 __COUNTER__：初始值为0，编译单元内每出现一次出现该宏,便会加1。
#define SCOPEDLOCK(lock) _SCOPEDLOCK(lock, __COUNTER__)
#define _SCOPEDLOCK(lock, counter) __SCOPEDLOCK(lock, counter)
//decltype：推断变量类型；__scopedLock##counter(&lock)：##为连接符
#define __SCOPEDLOCK(lock, counter) ScopedLock<decltype(lock)> __scopedLock##counter(&lock)
}
}
};
//模板类
template <typename T>
class ScopedLock {
T *m_lock;
//禁止使用编译器默认生成的函数
//默认拷贝构造与=赋值
ScopedLock(const ScopedLock<T> &other) = delete;
ScopedLock &operator=(const ScopedLock<T> &other) = delete;
public:
//构造方法中上锁
ScopedLock(T *oLock) : m_lock(oLock) {
assert(m_lock);
lock();
}
//析构方法解除锁
~ScopedLock() {
unlock();
m_lock = nullptr;
}
void lock() {
if (m_lock) {
m_lock->lock();
}
}
bool try_lock() {
if (m_lock) {
return m_lock->try_lock();
}
return false;
}
void unlock() {
if (m_lock) {
m_lock->unlock();
}
}
};
//宏函数 __COUNTER__：初始值为0，编译单元内每出现一次出现该宏,便会加1。
#define SCOPEDLOCK(lock) _SCOPEDLOCK(lock, __COUNTER__)
#define _SCOPEDLOCK(lock, counter) __SCOPEDLOCK(lock, counter)
//decltype：推断变量类型；__scopedLock##counter(&lock)：##为连接符
#define __SCOPEDLOCK(lock, counter) ScopedLock<decltype(lock)> __scopedLock##counter(&lock)
文件锁
在多个进程同时操作同一份文件的过程中，很容易导致文件中的数据混乱，需要锁操作来保证数据的完整性。 在在最新版本的MMKV中使用flock文件锁来完成多进程操作文件的同步
#include <sys/file.h>
// Returns 0 on success, or -1 on error
int flock (int fd, int operation);
flock()系统调用是在整个文件中加锁，通过对传入的fd所指向的文件进行操作，然后在通过operation参数所设置的值来确定做什么样的操作。operation可以赋如下值:
LOCK_SH，共享锁，多个进程可以使用同一把锁：读锁；
LOCK_EX，排他锁，同时只允许一个进程使用：写锁；
LOCK_UN，释放锁
LOCK_BN，发起非阻塞请求，如：LOCK_SH|LOCK_BN。
任意数量的进程可同时持有一个文件上的共享锁（读锁），但只能有一个进程能够持有一个文件上的互斥锁(写锁)。flock支持锁升级：只有自己进程存在读锁，可以直接升级为写锁，在转换的过程中首先会删除既有的锁，然后创建新锁 。若其他进程存在读锁，需要等待释放读锁；
在设计MMKV中的文件锁需要实现：
- 递归锁
意思是如果一个进程/线程已经拥有了锁，那么后续的加锁操作不会导致卡死，并且解锁也不会导致外层的锁被解掉。对于文件锁来说，前者是满足的，后者则不然。因为文件锁是状态锁，没有计数器，无论加了多少次锁，一个解锁操作就全解掉。只要用到子函数，就非常需要递归锁。
- 锁升级/降级
锁升级是指将已经持有的共享锁，升级为互斥锁，亦即将读锁升级为写锁；锁降级则是反过来。文件锁支持锁升级，但是容易死锁：假如 A、B 进程都持有了读锁，现在都想升级到写锁，就会陷入相互等待的困境，发生死锁。另外，由于文件锁不支持递归锁，也导致了锁降级无法进行，一降就降到没有锁。
为了解决这两个难题，需要对文件锁进行封装，增加读锁、写锁计数器。
- 加写锁时，如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁（try_lock ），try_lock 失败说明其他进程持有了读锁，我们需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以避免死锁的发生。
- 解写锁时，假如之前曾经持有读锁，那么我们不能直接释放掉写锁，这样会导致读锁也解了。我们应该加一个读锁，将锁降级。
基于上诉原理，封装flock文件锁C++类为：
class FileLock {
//文件句柄
int m_fd;
//文件锁
flock m_lockInfo;
//读计数
size_t m_sharedLockCount;
//写计数
size_t m_exclusiveLockCount;
bool doLock(LockType lockType, bool wait);
bool isFileLockValid() { return m_fd >= 0; }
FileLock(const FileLock &other) = delete;
FileLock &operator=(const FileLock &other) = delete;
public:
FileLock(int fd) : m_fd(fd), m_sharedLockCount(0), m_exclusiveLockCount(0) {}
bool lock(LockType lockType);
bool try_lock(LockType lockType);
bool unlock(LockType lockType);
};
在实现中，关键在于对读写计数器的操作，加锁：
bool FileLock::doLock(LockType lockType, bool wait) {
if (!isFileLockValid()) {
return false;
}
bool unLockFirstIfNeeded = false;
//读锁
if (lockType == SharedLockType) {
m_sharedLockCount++;
// 如果本进程之前被上过读锁或者写锁 还未释放，那么不再加读锁
if (m_sharedLockCount > 1 || m_exclusiveLockCount > 0) {
return true;
}
} else {
m_exclusiveLockCount++;
// 如果本进程之前上过写锁还未释放
if (m_exclusiveLockCount > 1) {
return true;
}
// 如果当前已经持有读锁，那么先尝试加写锁，
// try_lock 失败说明其他进程持有了读锁，需要先将自己的读锁释放掉，再进行加写锁操作，以免其他进程
也在请求加写锁造成死锁
if (m_sharedLockCount > 0) {
unLockFirstIfNeeded = true;
}
}
int realLockType = LockType2FlockType(lockType);
// LOCK_NB： 不阻塞
int cmd = wait ? realLockType : (realLockType | LOCK_NB);
if (unLockFirstIfNeeded) {
// try lock，这里肯定就是 LOCK_EX|LOCK_NB ，
auto ret = flock(m_fd, realLockType | LOCK_NB);
if (ret == 0) { //加锁成功
return true;
}
// 加锁失败, 先把自己的读锁释放
flock(m_fd, LOCK_UN);
}
auto ret = flock(m_fd, cmd); //加锁lock方法都是阻塞
if (ret != 0) {
return false;
} else {
return true;
}
}
解锁：
bool FileLock::unlock(LockType lockType) {
if (!isFileLockValid()) {
return false;
}
bool unlockToSharedLock = false;
//读锁
if (lockType == SharedLockType) {
if (m_sharedLockCount == 0) {
//没锁解，失败
return false;
}
m_sharedLockCount--;
// 还存在读锁（读锁计数器不为0）或者还存在写锁，不执行解锁
if (m_sharedLockCount > 0 || m_exclusiveLockCount > 0) {
//本次解锁完成
return true;
}
} else {
//写锁计数器为0，不操作
if (m_exclusiveLockCount == 0) {
return false;
}
//写锁计数器-1，不为0，同样不操作
m_exclusiveLockCount--;
if (m_exclusiveLockCount > 0) {
return true;
}
//到这一步表示无写锁了（写锁计数器为0）
// 同时还存在读锁，不能解锁，需要降级写锁为读锁
if (m_sharedLockCount > 0) {
unlockToSharedLock = true;
}
}
//是否降级
int cmd = unlockToSharedLock ? LOCK_SH : LOCK_UN;
auto ret = flock(m_fd, cmd);
if (ret != 0) {
return false;
} else {
return true;
}
}
MMKV多进程设计
上面我们讲过了flock文件锁能够实现同一时间只有一个进程在操作持久化文件，但是如果存在AB进程，在B进程修改完成之后，A进程如何知道B进程的修改？
MMKV 本质上是将文件 mmap 到内存块中，将新增的 key-value 统统 append 到内存中；到达边界后，进行重整回写以腾出空间，空间还是不够的话，就 double 内存空间；对于内存文件中可能存在的重复键值，MMKV 只选用最后写入的作为有效键值。那么其他进程为了保持数据一致，就需要处理这三种情况：写指针增长、内存重整、内存增长。但首先还得解决一个问题：怎么让其他进程感知这三种情况？
- 写指针的同步
我们可以在每个进程内部缓存自己的写指针，然后在写入键值的同时，还要把最新的写指针位置也写到mmap 内存中；这样每个进程只需要对比一下缓存的指针与 mmap 内存的写指针，如果不一样，就说明其他进程进行了写操作。事实上 MMKV 原本就在文件头部保存了有效内存的大小，这个数值刚好就是写指针的内存偏移量，我们可以重用这个数值来校对写指针。
- 内存重整的感知
考虑使用一个单调递增的序列号，每次发生内存重整，就将序列号递增。将这个序列号也放到 mmap 内存中，每个进程内部也缓存一份，只需要对比序列号是否一致，就能够知道其他进程是否触发了内存重整。
- 内存增长的感知
事实上 MMKV 在内存增长之前，会先尝试通过内存重整来腾出空间，重整后还不够空间才申请新的内存。所以内存增长可以跟内存重整一样处理。至于新的内存大小，可以通过查询文件大小来获得，无需在 mmap 内存另外存放。
在MMKV中会生成一份与数据文件同名的.crc文件，此文件中记录两个关键数据：数据内容的crc校验码与单调递增的序列号。
CRC校验码：循环冗余校验 ，类似文件MD5值。我们下载软件往往会附带MD5值，如AS。比较MD5值就能知道文件是否合法、完整，一旦修改了文件数据，MD5值将不匹配。
递增的序列号：每次去重、扩容即执行全量更新，序列号+1并记录在crc文件中，不匹配则需要重新解析全部文件。
每次写入与获取数据需要执行以下检查：
void MMKV::checkLoadData() {
if (!m_isInterProcess) {
return;
}
//读取crc文件
MMKVMetaInfo metaInfo;
metaInfo.read(m_metaFile.getMemory());
//本次读取序列号不同
if (m_metaInfo.m_sequence != metaInfo.m_sequence) {
//内存重整，序列号递增
// 当一个进程发现内存被重整了，就意味着原写指针前面的键值全部失效，那么最简单的做法是全部抛弃
掉，从头开始重新加载一遍。
LOGI("checkData:序列号改变");
SCOPEDLOCK(m_sharedProcessLock);
clearMemoryState();
loadFromFile();
} else if (m_metaInfo.m_crcDigest != metaInfo.m_crcDigest) {
LOGI("checkData:校验码改变");
SCOPEDLOCK(m_sharedProcessLock);
size_t fileSize = 0;
struct stat st = {0};
if (fstat(m_fd, &st) != -1) {
fileSize = (size_t) st.st_size;
}
if (m_size != fileSize) {
// 发生文件增长，必然已经先发生了内存重整，与内存重整一样的处理
LOGI("checkData:文件大小改变");
clearMemoryState();
loadFromFile();
} else {
LOGI("checkData:写指针增长");
// 文件大小不变，可能写指针增长
partialLoadFromFile();
}
}
}
