线程及线程间同步

线程概念

什么是线程

LWP：light weight process 轻量级的进程，本质仍是进程(在Linux环境下)

进程：独立地址空间，拥有PCB

线程：也有PCB，但没有独立的地址空间(共享)

区别：在于是否共享地址空间。 独居(进程)；合租(线程)。

Linux下： 线程：最小的执行单位

  进程：最小分配资源单位，可看成是只有一个线程的进程。

Linux内核线程实现原理

类Unix系统中，早期是没有“线程”概念的，80年代才引入，借助进程机制实现出了线程的概念。因此在这类系统中，进程和线程关系密切。

1. 轻量级进程(light-weight process)，也有PCB，创建线程使用的底层函数和进程一样，都是clone

2. 从内核里看进程和线程是一样的，都有各自不同的PCB，但是PCB中指向内存资源的三级页表是相同的

3. 进程可以蜕变成线程

4. 线程可看做寄存器和栈的集合

5. 在linux下，线程最是小的执行单位；进程是最小的分配资源单位

察看LWP号：ps –Lf pid 查看指定线程的lwp号。

 

三级映射：进程PCB --> 页目录(可看成数组，首地址位于PCB中) --> 页表 --> 物理页面 --> 内存单元

参考：《Linux内核源代码情景分析》 ----毛德操

对于进程来说，相同的地址(同一个虚拟地址)在不同的进程中，反复使用而不冲突。原因是他们虽虚拟址一样，但，页目录、页表、物理页面各不相同。相同的虚拟址，映射到不同的物理页面内存单元，最终访问不同的物理页面。

但！线程不同！两个线程具有各自独立的PCB，但共享同一个页目录，也就共享同一个页表和物理页面。所以两个PCB共享一个地址空间。

实际上，无论是创建进程的fork，还是创建线程的pthread_create，底层实现都是调用同一个内核函数clone。

如果复制对方的地址空间，那么就产出一个“进程”；如果共享对方的地址空间，就产生一个“线程”。

因此：Linux内核是不区分进程和线程的。只在用户层面上进行区分。所以，线程所有操作函数 pthread_* 是库函数，而非系统调用。

线程共享资源

1.文件描述符表

2.每种信号的处理方式

3.当前工作目录

4.用户ID和组ID

5.内存地址空间 (.text/.data/.bss/heap/共享库)

线程非共享资源

1.线程id

2.处理器现场和栈指针(内核栈)

3.独立的栈空间(用户空间栈)

4.errno变量

5.信号屏蔽字

6.调度优先级

线程优、缺点

优点： 1. 提高程序并发性 2. 开销小 3. 数据通信、共享数据方便

缺点： 1. 库函数，不稳定 2. 调试、编写困难、gdb不支持 3. 对信号支持不好

优点相对突出，缺点均不是硬伤。Linux下由于实现方法导致进程、线程差别不是很大。

线程控制原语

pthread_self函数

获取线程ID。其作用对应进程中 getpid() 函数。

pthread_t pthread_self(void); 返回值：成功：0； 失败：无！

线程ID：pthread_t类型，本质：在Linux下为无符号整数(%lu)，其他系统中可能是结构体实现

线程ID是进程内部，识别标志。(两个进程间，线程ID允许相同)

注意：不应使用全局变量 pthread_t tid，在子线程中通过pthread_create传出参数来获取线程ID，而应使用pthread_self。

pthread_create函数

创建一个新线程。 其作用，对应进程中fork() 函数。

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);

返回值：成功：0； 失败：错误号 -----Linux环境下，所有线程特点，失败均直接返回错误号。

参数：

pthread_t：当前Linux中可理解为：typedef unsigned long int pthread_t。

1. 传出参数，保存系统为我们分配好的线程ID

2. 通常传NULL，表示使用线程默认属性。若想使用具体属性也可以修改该参数。

3. 函数指针，指向线程主函数(线程体)，该函数运行结束，则线程结束。

4. 线程主函数执行期间所使用的参数。

在一个线程中调用pthread_create()创建新的线程后，当前线程从pthread_create()返回继续往下执行，而新的线程所执行的代码由我们传给pthread_create的函数指针start_routine决定。start_routine函数接收一个参数，是通过pthread_create的arg参数传递给它的，该参数的类型为void *，这个指针按什么类型解释由调用者自己定义。start_routine的返回值类型也是void *，这个指针的含义同样由调用者自己定义。start_routine返回时，这个线程就退出了，其它线程可以调用pthread_join得到start_routine的返回值，类似于父进程调用wait(2)得到子进程的退出状态，稍后详细介绍pthread_join。

pthread_create成功返回后，新创建的线程的id被填写到thread参数所指向的内存单元。我们知道进程id的类型是pid_t，每个进程的id在整个系统中是唯一的，调用getpid(2)可以获得当前进程的id，是一个正整数值。线程id的类型是thread_t，它只在当前进程中保证是唯一的，在不同的系统中thread_t这个类型有不同的实现，它可能是一个整数值，也可能是一个结构体，也可能是一个地址，所以不能简单地当成整数用printf打印，调用pthread_self(3)可以获得当前线程的id。

attr参数表示线程属性，本节不深入讨论线程属性，所有代码例子都传NULL给attr参数，表示线程属性取缺省值，感兴趣的读者可以参考APUE。

例：创建一个新线程，打印线程ID。注意：链接线程库 -lpthread 【pthrd_crt.c】

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

void *tfn(void *arg)
{
    printf("I'm thread, Thread_ID = %lu
", pthread_self());
    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;

    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    sleep(1);
    printf("I am main, my pid = %d
", getpid());

    return 0;
}

由于pthread_create的错误码不保存在errno中，因此不能直接用perror(3)打印错误信息，可以先用strerror(3)把错误码转换成错误信息再打印。如果任意一个线程调用了exit或_exit，则整个进程的所有线程都终止，由于从main函数return也相当于调用exit，为了防止新创建的线程还没有得到执行就终止，我们在main函数return之前延时1秒，这只是一种权宜之计，即使主线程等待1秒，内核也不一定会调度新创建的线程执行，下一节我们会看到更好的办法。

例：循环创建多个线程，每个线程打印自己是第几个被创建的线程。(类似于进程循环创建子进程)     【more_pthrd.c】

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void *tfn(void *arg)
{
    int i;

    i = (int)arg;
    sleep(i);     //通过i来区别每个线程
    printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu
", i+1, pthread_self());

    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int n = 5, i;
    pthread_t tid;

    if (argc == 2)
        n = atoi(argv[1]);

    for (i = 0; i < n; i++) {
        pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);
        //将i转换为指针，在tfn中再强转回整形。
    }
    sleep(n);
    printf("I am main, and I am not a process, I'm a thread!
" 
            "main_thread_ID = %lu
", pthread_self());

    pthread_exit(NULL);
}

拓展思考：将pthread_create函数参4修改为(void *)&i, 将线程主函数内改为 i=*((int *)arg) 是否可以。

答：不可以，因为i取得的是地址空间中的值，取出来的可能不是想象的数据了

线程与共享

【牢记】：线程默认共享数据段、代码段等地址空间，常用的是全局变量。而进程不共享全局变量，只能借助mmap。

例：设计程序，验证线程之间共享全局数据。 【glb_var_pthrd.c】

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int var = 100;

void *tfn(void *arg)
{
	var = 200;
	printf("thread
");

	return NULL;
}

int main(void)
{
	printf("At first var = %d
", var);

	pthread_t tid;
	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	sleep(1);

	printf("after pthread_create, var = %d
", var);

	return 0;
}

　　

pthread_exit函数

将单个线程退出

void pthread_exit(void *retval); 参数：retval表示线程退出状态，通常传NULL

例：使用exit将指定线程退出，可以吗？ 【pthrd_exit.c】

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void *tfn(void *arg)
{
	int i;

	i = (int)arg;//强转。
	if (i == 2)
		pthread_exit(NULL);

	sleep(i);	 //通过i来区别每个线程
	printf("I'm %dth thread, Thread_ID = %lu
", i+1, pthread_self());

	return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	int n = 5, i;
	pthread_t tid;

	if (argc == 2)
		n = atoi(argv[1]);

	for (i = 0; i < n; i++) {
		pthread_create(&tid, NULL, tfn, (void *)i);
		//将i转换为指针，在tfn中再强转回整形。
	}
	sleep(n);
	printf("I am main, I'm a thread!
" 
			"main_thread_ID = %lu
", pthread_self());

	return 0;
}

　　

结论：线程中，禁止使用exit函数，会导致进程内所有线程全部退出。

在不添加sleep控制输出顺序的情况下。pthread_create在循环中，几乎瞬间创建5个线程，但只有第1个线程有机会输出（或者第2个也有，也可能没有，取决于内核调度）如果第3个线程执行了exit，将整个进程退出了，所以全部线程退出了。

所以，多线程环境中，应尽量少用，或者不使用exit函数，取而代之使用pthread_exit函数，将单个线程退出。任何线程里exit导致进程退出，其他线程未工作结束，主控线程退出时不能return或exit。

另注意，pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是用malloc分配的，不能在线程函数的栈上分配，因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

例：编写多线程程序，总结exit、return、pthread_exit各自退出效果。

return：返回到调用者那里去。

pthread_exit()：将调用该函数的线程退出

exit: 将进程退出。

pthread_join函数

阻塞等待线程退出，获取线程退出状态 其作用，对应进程中 waitpid() 函数。

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval); 成功：0；失败：错误号

参数：thread：线程ID （【注意】：不是指针）；retval：存储线程结束状态。

对比记忆：

进程中：main返回值、exit参数-->int；等待子进程结束 wait 函数参数-->int *

线程中：线程主函数返回值、pthread_exit-->void *；等待线程结束 pthread_join 函数参数-->void **

例：参数 retval 非空用法。 【pthrd_exit_join.c】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct{
	int a;
	int b;
} exit_t;

void *tfn(void *arg)
{
	exit_t *ret;
	ret = malloc(sizeof(exit_t)); 

	ret->a = 100;
	ret->b = 300;
	pthread_exit((void *)ret);

	return NULL; //should not be here.
}

int main(void)
{
	pthread_t tid;
	exit_t *retval;

	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	/*调用pthread_join可以获取线程的退出状态*/
	pthread_join(tid, (void **)&retval);
	printf("a = %d, b = %d 
", retval->a, retval->b);

	return 0;
}

　　

调用该函数的线程将挂起等待，直到id为thread的线程终止。thread线程以不同的方法终止，通过pthread_join得到的终止状态是不同的，总结如下：

1. 如果thread线程通过return返回，retval所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
2. 如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终止掉，retval所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
3. 如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的，retval所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。
4. 如果对thread线程的终止状态不感兴趣，可以传NULL给retval参数。

 

例】：使用pthread_join函数将循环创建的多个子线程回收。 【pthrd_loop_join.c】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int var = 100;

void *tfn(void *arg)
{
    int i;
    i = (int)arg;
    
    sleep(i);
    if (i == 1) {    //i = 0  100  333  333  777  777  
        var = 333;
        printf("var = %d
", var);
        pthread_exit((void *)var);

    } else  if (i == 3) {
        var = 777;
        printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu
 var = %d
", i+1, pthread_self(), var);
        pthread_exit((void *)var);

    } else  {

        printf("I'm %dth pthread, pthread_id = %lu
 var = %d
", i+1, pthread_self(), var);
        pthread_exit((void *)var);
    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid[5];
    int i, *ret[5];

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, tfn, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        pthread_join(tid[i], (void **)&ret[i]);
        printf("-------%d 's ret = %d
", i, (int)ret[i]);
    }
    printf("I'm main pthread tid = %lu	 var = %d
", pthread_self(), var);

    pthread_exit(NULL);
}

　　

pthread_detach函数

实现线程分离

int pthread_detach(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

线程分离状态：指定该状态，线程主动与主控线程断开关系。线程结束后，其退出状态不由其他线程获取，而直接自己自动释放。网络、多线程服务器常用。

进程若有该机制，将不会产生僵尸进程。僵尸进程的产生主要由于进程死后，大部分资源被释放，一点残留资源仍存于系统中，导致内核认为该进程仍存在。

也可使用 pthread_create函数参2(线程属性)来设置线程分离。

例：使用pthread_detach函数实现线程分离 【pthrd_detach.c】

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void *tfn(void *arg)
{
	int n = 3;
	while (n--) {
		printf("thread count %d
", n);
		sleep(1);
	}
	return (void *)1;
}

int main(void)
{
	pthread_t tid;
	void *tret;
	int err;

#if 1

	pthread_attr_t attr;			/*通过线程属性来设置游离态*/

	pthread_attr_init(&attr);

	pthread_attr_setdetachstate(&attr,	PTHREAD_CREATE_DETACHED);

	pthread_create(&tid, &attr, tfn, NULL);

    pthread_attr_destroy(&attr);

#else

	pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
	pthread_detach(tid);        

#endif

	while (1) {
		err = pthread_join(tid, &tret);
		if (err != 0)
			fprintf(stderr, "thread %s
", strerror(err));
		else
			fprintf(stderr, "thread exit code %d
", (int)tret);
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

　　

一般情况下，线程终止后，其终止状态一直保留到其它线程调用pthread_join获取它的状态为止。但是线程也可以被置为detach状态，这样的线程一旦终止就立刻回收它占用的所有资源，而不保留终止状态。不能对一个已经处于detach状态的线程调用pthread_join，这样的调用将返回EINVAL。如果已经对一个线程调用了pthread_detach就不能再调用pthread_join了。

pthread_cancel函数

杀死(取消)线程 其作用，对应进程中 kill() 函数。

int pthread_cancel(pthread_t thread); 成功：0；失败：错误号

【注意】：线程的取消并不是实时的，而又一定的延时。需要等待线程到达某个取消点(检查点)。

类似于玩游戏存档，必须到达指定的场所(存档点，如：客栈、仓库、城里等)才能存储进度。杀死线程也不是立刻就能完成，必须要到达取消点。

取消点：是线程检查是否被取消，并按请求进行动作的一个位置。通常是一些系统调用creat，open，pause，close，read，write.....    ——参 APUE.12.7 取消选项。

可粗略认为一个系统调用(进入内核)即为一个取消点。

被取消的线程，退出值，定义在Linux的pthread库中常数PTHREAD_CANCELED的值是-1。可以在头文件pthread.h中找到它的定义：#define PTHREAD_CANCELED ((void *) -1)

例：终止线程的三种方法。注意“取消点”的概念。 【pthrd_endof3.c】

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

void *tfn1(void *arg)
{
	printf("thread 1 returning
");
	return (void *)111; 
}

void *tfn2(void *arg)
{
	printf("thread 2 exiting
");
	pthread_exit((void *)222);
}

void *tfn3(void *arg)
{
	while (1) {
//		printf("thread 3: I'm going to die 1 seconds after...
");
//		sleep(1);
		pthread_testcancel();	//自己添加取消点
	}
}

int main(void)
{
	pthread_t tid;
	void *tret = NULL;

	pthread_create(&tid, NULL, tfn1, NULL);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 1 exit code = %d

", (int)tret);

	pthread_create(&tid, NULL, tfn2, NULL);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 2 exit code = %d

", (int)tret);

	pthread_create(&tid, NULL, tfn3, NULL);
	sleep(3);
	pthread_cancel(tid);
	pthread_join(tid, &tret);
	printf("thread 3 exit code = %d
", (int)tret);

	return 0;
}

　　

 

终止线程方式

总结：终止某个线程而不终止整个进程，有三种方法：

1. 从线程主函数return。这种方法对主控线程不适用，从main函数return相当于调用exit。
2. 一个线程可以调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。
3. 线程可以调用pthread_exit终止自己。

pthread_equal函数

比较两个线程ID是否相等。

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

有可能Linux在未来线程ID pthread_t 类型被修改为结构体实现。

控制原语对比

进程 线程

fork pthread_create

exit pthread_exit

wait pthread_join

kill pthread_cancel

getpid pthread_self 命名空间

线程属性

本节作为指引性介绍，linux下线程的属性是可以根据实际项目需要，进行设置，之前我们讨论的线程都是采用线程的默认属性，默认属性已经可以解决绝大多数开发时遇到的问题。如我们对程序的性能提出更高的要求那么需要设置线程属性，比如可以通过设置线程栈的大小来降低内存的使用，增加最大线程个数。

typedef struct

{

int etachstate; //线程的分离状态

int schedpolicy; //线程调度策略

struct sched_param schedparam; //线程的调度参数

int inheritsched; //线程的继承性

int scope; //线程的作用域

size_t guardsize; //线程栈末尾的警戒缓冲区大小

int stackaddr_set; //线程的栈设置

void* stackaddr; //线程栈的位置

size_t stacksize; //线程栈的大小

} pthread_attr_t;

主要结构体成员：

1. 线程分离状态

2. 线程栈大小（默认平均分配）

3. 线程栈警戒缓冲区大小（位于栈末尾） 参 APUE.12.3 线程属性

4. 线程栈最低地址

属性值不能直接设置，须使用相关函数进行操作，初始化的函数为pthread_attr_init，这个函数必须在pthread_create函数之前调用。之后须用pthread_attr_destroy函数来释放资源。

线程属性主要包括如下属性：作用域（scope）、栈尺寸（stack size）、栈地址（stack address）、优先级（priority）、分离的状态（detached state）、调度策略和参数（scheduling policy and parameters）。默认的属性为非绑定、非分离、缺省的堆栈、与父进程同样级别的优先级。

线程属性初始化

注意：应先初始化线程属性，再pthread_create创建线程

初始化线程属性

int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号

销毁线程属性所占用的资源

int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr); 成功：0；失败：错误号

线程的分离状态

线程的分离状态决定一个线程以什么样的方式来终止自己。

非分离状态：线程的默认属性是非分离状态，这种情况下，原有的线程等待创建的线程结束。只有当pthread_join()函数返回时，创建的线程才算终止，才能释放自己占用的系统资源。

分离状态：分离线程没有被其他的线程所等待，自己运行结束了，线程也就终止了，马上释放系统资源。应该根据自己的需要，选择适当的分离状态。

线程分离状态的函数：

设置线程属性，分离or非分离

int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);

获取程属性，分离or非分离

  pthread_attr_getdetachstate(pthread_attr_t *attr, int *detachstate);

参数： attr：已初始化的线程属性

detachstate： PTHREAD_CREATE_DETACHED（分离线程）

PTHREAD _CREATE_JOINABLE（非分离线程）

这里要注意的一点是，如果设置一个线程为分离线程，而这个线程运行又非常快，它很可能在pthread_create函数返回之前就终止了，它终止以后就可能将线程号和系统资源移交给其他的线程使用，这样调用pthread_create的线程就得到了错误的线程号。要避免这种情况可以采取一定的同步措施，最简单的方法之一是可以在被创建的线程里调用pthread_cond_timedwait函数，让这个线程等待一会儿，留出足够的时间让函数pthread_create返回。设置一段等待时间，是在多线程编程里常用的方法。但是注意不要使用诸如wait()之类的函数，它们是使整个进程睡眠，并不能解决线程同步的问题。

线程的栈地址

POSIX.1定义了两个常量_POSIX_THREAD_ATTR_STACKADDR 和_POSIX_THREAD_ATTR_STACKSIZE检测系统是否支持栈属性。也可以给sysconf函数传递_SC_THREAD_ATTR_STACKADDR或 _SC_THREAD_ATTR_STACKSIZE来进行检测。

当进程栈地址空间不够用时，指定新建线程使用由malloc分配的空间作为自己的栈空间。通过pthread_attr_setstack和pthread_attr_getstack两个函数分别设置和获取线程的栈地址。

int pthread_attr_setstack(pthread_attr_t *attr, void *stackaddr, size_t stacksize); 成功：0；失败：错误号

int pthread_attr_getstack(pthread_attr_t *attr, void **stackaddr, size_t *stacksize); 成功：0；失败：错误号

参数： attr：指向一个线程属性的指针

stackaddr：返回获取的栈地址

stacksize：返回获取的栈大小

线程的栈大小

当系统中有很多线程时，可能需要减小每个线程栈的默认大小，防止进程的地址空间不够用,当线程调用的函数会分配很大的局部变量或者函数调用层次很深时，可能需要增大线程栈的默认大小。

函数pthread_attr_getstacksize和 pthread_attr_setstacksize提供设置。

int pthread_attr_setstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t stacksize); 成功：0；失败：错误号

int pthread_attr_getstacksize(pthread_attr_t *attr, size_t *stacksize); 成功：0；失败：错误号

参数： attr：指向一个线程属性的指针

stacksize：返回线程的堆栈大小

线程属性控制示例

【pthrd_attr_change.c】

#include <pthread.h>

 

#define SIZE 0x100000

void *th_fun(void *arg)

{

while (1)

sleep(1);

}

int main(void)

{

pthread_t tid;

int err, detachstate, i = 1;

pthread_attr_t attr;

size_t stacksize;

void *stackaddr;

 

pthread_attr_init(&attr);

pthread_attr_getstack(&attr, &stackaddr, &stacksize);

pthread_attr_getdetachstate(&attr, &detachstate);

 

if (detachstate == PTHREAD_CREATE_DETACHED)

printf("thread detached
");

else if (detachstate == PTHREAD_CREATE_JOINABLE)

printf("thread join
");

else

printf("thread unknown
");

 

pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);

 

while (1) {

stackaddr = malloc(SIZE);

if (stackaddr == NULL) {

perror("malloc");

exit(1);

}

stacksize = SIZE;

pthread_attr_setstack(&attr, stackaddr, stacksize);

err = pthread_create(&tid, &attr, th_fun, NULL);

if (err != 0) {

printf("%s
", strerror(err));

exit(1);

}

printf("%d
", i++);

}

pthread_attr_destroy(&attr);

return 0;

} 

　　

NPTL

1.察看当前pthread库版本getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

2.NPTL实现机制(POSIX)，Native POSIX Thread Library

3.使用线程库时gcc指定 –lpthread

线程使用注意事项

1. 主线程退出其他线程不退出，主线程应调用pthread_exit
2. 避免僵尸线程

pthread_join

pthread_detach

pthread_create指定分离属性

被join线程可能在join函数返回前就释放完自己的所有内存资源，所以不应当返回被回收线程栈中的值;

1. malloc和mmap申请的内存可以被其他线程释放
2. 应避免在多线程模型中调用fork除非，马上exec，子进程中只有调用fork的线程存在，其他线程在子进程中均pthread_exit
3. 信号的复杂语义很难和多线程共存，应避免在多线程引入信号机制

同步概念

所谓同步，即同时起步，协调一致。不同的对象，对“同步”的理解方式略有不同。如，设备同步，是指在两个设备之间规定一个共同的时间参考；数据库同步，是指让两个或多个数据库内容保持一致，或者按需要部分保持一致；文件同步，是指让两个或多个文件夹里的文件保持一致。等等

而，编程中、通信中所说的同步与生活中大家印象中的同步概念略有差异。“同”字应是指协同、协助、互相配合。主旨在协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步

同步即协同步调，按预定的先后次序运行。

线程同步，指一个线程发出某一功能调用时，在没有得到结果之前，该调用不返回。同时其它线程为保证数据一致性，不能调用该功能。

举例1： 银行存款 5000。柜台，折：取3000；提款机，卡：取 3000。剩余：2000

举例2： 内存中100字节，线程T1欲填入全1， 线程T2欲填入全0。但如果T1执行了50个字节失去cpu，T2执行，会将T1写过的内容覆盖。当T1再次获得cpu继续 从失去cpu的位置向后写入1，当执行结束，内存中的100字节，既不是全1，也不是全0。

产生的现象叫做“与时间有关的错误”(time related)。为了避免这种数据混乱，线程需要同步。

“同步”的目的，是为了避免数据混乱，解决与时间有关的错误。实际上，不仅线程间需要同步，进程间、信号间等等都需要同步机制。

因此，所有“多个控制流，共同操作一个共享资源”的情况，都需要同步。

数据混乱原因：

1. 资源共享（独享资源则不会）

2. 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）

3. 线程间缺乏必要的同步机制。

以上3点中，前两点不能改变，欲提高效率，传递数据，资源必须共享。只要共享资源，就一定会出现竞争。只要存在竞争关系，数据就很容易出现混乱。

所以只能从第三点着手解决。使多个线程在访问共享资源的时候，出现互斥。

互斥量mutex

Linux中提供一把互斥锁mutex（也称之为互斥量）。

每个线程在对资源操作前都尝试先加锁，成功加锁才能操作，操作结束解锁。

资源还是共享的，线程间也还是竞争的，

但通过“锁”就将资源的访问变成互斥操作，而后与时间有关的错误也不会再产生了。

 

但，应注意：同一时刻，只能有一个线程持有该锁。

当A线程对某个全局变量加锁访问，B在访问前尝试加锁，拿不到锁，B阻塞。C线程不去加锁，而直接访问该全局变量，依然能够访问，但会出现数据混乱。

所以，互斥锁实质上是操作系统提供的一把“建议锁”（又称“协同锁”），建议程序中有多线程访问共享资源的时候使用该机制。但，并没有强制限定。

因此，即使有了mutex，如果有线程不按规则来访问数据，依然会造成数据混乱。

主要应用函数：

pthread_mutex_init函数

pthread_mutex_destroy函数

pthread_mutex_lock函数

pthread_mutex_trylock函数

pthread_mutex_unlock函数

以上5个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回错误号。

pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待。

pthread_mutex_t mutex; 变量mutex只有两种取值1、0。

pthread_mutex_init函数

初始化一个互斥锁(互斥量) ---> 初值可看作1

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

参1：传出参数，调用时应传 &mutex

restrict关键字：只用于限制指针，告诉编译器，所有修改该指针指向内存中内容的操作，只能通过本指针完成。不能通过除本指针以外的其他变量或指针修改

参2：互斥量属性。是一个传入参数，通常传NULL，选用默认属性(线程间共享)。 参APUE.12.4同步属性

1. 静态初始化：如果互斥锁 mutex 是静态分配的（定义在全局，或加了static关键字修饰），可以直接使用宏进行初始化。e.g.  pthead_mutex_t muetx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
2. 动态初始化：局部变量应采用动态初始化。e.g.  pthread_mutex_init(&mutex, NULL)

pthread_mutex_destroy函数

销毁一个互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock函数

加锁。可理解为将mutex--（或-1）

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock函数

解锁。可理解为将mutex ++（或+1）

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_trylock函数

尝试加锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

加锁与解锁

lock与unlock：

lock尝试加锁，如果加锁不成功，线程阻塞，阻塞到持有该互斥量的其他线程解锁为止。

unlock主动解锁函数，同时将阻塞在该锁上的所有线程全部唤醒，至于哪个线程先被唤醒，取决于优先级、调度。默认：先阻塞、先唤醒。

例如：T1 T2 T3 T4 使用一把mutex锁。T1加锁成功，其他线程均阻塞，直至T1解锁。T1解锁后，T2 T3 T4均被唤醒，并自动再次尝试加锁。

可假想mutex锁 init成功初值为1。 lock 功能是将mutex--。 unlock将mutex++

lock与trylock：

lock加锁失败会阻塞，等待锁释放。

trylock加锁失败直接返回错误号（如：EBUSY），不阻塞。

加锁步骤测试：

看如下程序：该程序是非常典型的，由于共享、竞争而没有加任何同步机制，导致产生于时间有关的错误，造成数据混乱：

【pthrd_shared.c】

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include <unistd.h>

 

void *tfn(void *arg)

{

    srand(time(NULL));

    while (1) {

 

        printf("hello ");

        sleep(rand() % 3); /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/

        printf("world
");

        sleep(rand() % 3);

    }

    return NULL;

}

int main(void)

{

    pthread_t tid;

    srand(time(NULL));

    pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);

    while (1) {

        printf("HELLO ");

        sleep(rand() % 3);

        printf("WORLD
");

        sleep(rand() % 3);

    }

    pthread_join(tid, NULL);

    return 0;

} 

修改该程序，使用mutex互斥锁进行同步。

1. 定义全局互斥量，初始化init(&m, NULL)互斥量，添加对应的destry
2. 两个线程while中，两次printf前后，分别加lock和unlock
3. 将unlock挪至第二个sleep后，发现交替现象很难出现。

线程在操作完共享资源后本应该立即解锁，但修改后，线程抱着锁睡眠。睡醒解锁后又立即加锁，这两个库函数本身不会阻塞。

所以在这两行代码之间失去cpu的概率很小。因此，另外一个线程很难得到加锁的机会。

1. main 中加flag = 5 将flg在while中--  这时，主线程输出5次后试图销毁锁，但子线程未将锁释放，无法完成。
2. main 中加pthread_cancel()将子线程取消。 【pthrd_mutex.c】

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

pthread_mutex_t m;

void err_thread(int ret, char *str)
{
    if (ret != 0) {
        fprintf(stderr, "%s:%s
", str, strerror(ret));
        pthread_exit(NULL);
    }
}

void *tfn(void *arg)
{
    srand(time(NULL));

    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&m);     // m--

        printf("hello ");
        sleep(rand() % 3);    /*模拟长时间操作共享资源，导致cpu易主，产生与时间有关的错误*/
        printf("world
");
        pthread_mutex_unlock(&m);   // m++
        sleep(rand() % 3);

    }

    return NULL;
}

int main(void)
{
    pthread_t tid;
    srand(time(NULL));
    int flag  = 5;

    pthread_mutex_init(&m, NULL);        // 1
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, tfn, NULL);
    err_thread(ret, "pthread_create error");

    
    while (flag--) {
        pthread_mutex_lock(&m);     // m--

        printf("HELLO ");
        sleep(rand() % 3);
        printf("WORLD
");
        pthread_mutex_unlock(&m);     // m--

        sleep(rand() % 3);

    }
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join(tid, NULL);

    pthread_mutex_destroy(&m);

    return 0;
}

/*线程之间共享资源stdout*/

 

结论：

在访问共享资源前加锁，访问结束后立即解锁。锁的“粒度”应越小越好。

死锁

1. 线程试图对同一个互斥量A加锁两次。

2. 线程1拥有A锁，请求获得B锁；线程2拥有B锁，请求获得A锁

读写锁

与互斥量类似，但读写锁允许更高的并行性。其特性为：写独占，读共享。

读写锁状态：

一把读写锁具备三种状态：

1. 读模式下加锁状态 (读锁)

2. 写模式下加锁状态 (写锁)

3. 不加锁状态

读写锁特性：

1. 读写锁是“写模式加锁”时， 解锁前，所有对该锁加锁的线程都会被阻塞。
2. 读写锁是“读模式加锁”时， 如果线程以读模式对其加锁会成功；如果线程以写模式加锁会阻塞。
3. 读写锁是“读模式加锁”时， 既有试图以写模式加锁的线程，也有试图以读模式加锁的线程。那么读写锁会阻塞随后的读模式锁请求。优先满足写模式锁。读锁、写锁并行阻塞，写锁优先级高

读写锁也叫共享-独占锁。当读写锁以读模式锁住时，它是以共享模式锁住的；当它以写模式锁住时，它是以独占模式锁住的。写独占、读共享。

读写锁非常适合于对数据结构读的次数远大于写的情况。

主要应用函数：

pthread_rwlock_init函数

pthread_rwlock_destroy函数

pthread_rwlock_rdlock函数  

pthread_rwlock_wrlock函数

pthread_rwlock_tryrdlock函数

pthread_rwlock_trywrlock函数

pthread_rwlock_unlock函数

以上7 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。

pthread_rwlock_t类型 用于定义一个读写锁变量。

pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_init函数

初始化一把读写锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

参2：attr表读写锁属性，通常使用默认属性，传NULL即可。

pthread_rwlock_destroy函数

销毁一把读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_rdlock函数

以读方式请求读写锁。（常简称为：请求读锁）

    int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_wrlock函数

以写方式请求读写锁。（常简称为：请求写锁）

    int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_unlock函数

解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_tryrdlock函数

非阻塞以读方式请求读写锁（非阻塞请求读锁）

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

pthread_rwlock_trywrlock函数

非阻塞以写方式请求读写锁（非阻塞请求写锁）

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

读写锁示例

看如下示例，同时有多个线程对同一全局数据读、写操作。

【rwlock.c】

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

 

int counter;

pthread_rwlock_t rwlock;

 

/* 3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源 */

void *th_write(void *arg)

{

    int t, i = (int)arg;

    while (1) {

        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

        t = counter;

        usleep(1000);

        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d
", i, pthread_self(), t, ++counter);

        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep(10000);

    }

    return NULL;

}

void *th_read(void *arg)

{

    int i = (int)arg;

 

    while (1) {

        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

        printf("----------------------------read %d: %lu: %d
", i, pthread_self(), counter);

        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

        usleep(2000);

    }

    return NULL;

}

int main(void)

{

    int i;

    pthread_t tid[8];

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

 

    for (i = 0; i < 3; i++)

        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++)

        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);

    for (i = 0; i < 8; i++)

        pthread_join(tid[i], NULL);

 

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;

} 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int counter;
pthread_rwlock_t rwlock;

/* 3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源 */
void *th_write(void *arg)
{
    int t;
    int i = (int)arg;
    while (1) {
        pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);
        t = counter;   
        usleep(1000);
        printf("=======write %d: %lu: counter=%d ++counter=%d
", i, pthread_self(), t, ++counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(10000);
    }
    return NULL;
}
void *th_read(void *arg)
{
    int i = (int)arg;

    while (1) {
        pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
        printf("----------------------------read %d: %lu: %d
", i, pthread_self(), counter);
        pthread_rwlock_unlock(&rwlock);
        usleep(2000);
    }
    return NULL;
}

int main(void)
{
    int i;
    pthread_t tid[8];

    pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);

    for (i = 0; i < 3; i++)
        pthread_create(&tid[i], NULL, th_write, (void *)i);

    for (i = 0; i < 5; i++)
        pthread_create(&tid[i+3], NULL, th_read, (void *)i);

    for (i = 0; i < 8; i++)
        pthread_join(tid[i], NULL);

    pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

    return 0;
}

条件变量：

条件本身不是锁！但它也可以造成线程阻塞。通常与互斥锁配合使用。给多线程提供一个会合的场所。

主要应用函数：

pthread_cond_init函数

pthread_cond_destroy函数

pthread_cond_wait函数

pthread_cond_timedwait函数

pthread_cond_signal函数

pthread_cond_broadcast函数

以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败直接返回错误号。

pthread_cond_t类型 用于定义条件变量

pthread_cond_t cond;

pthread_cond_init函数

初始化一个条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

参2：attr表条件变量属性，通常为默认值，传NULL即可

也可以使用静态初始化的方法，初始化条件变量：

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

pthread_cond_destroy函数

销毁一个条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_wait函数

阻塞等待一个条件变量

    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

函数作用：

1. 阻塞等待条件变量cond（参1）满足
2. 释放已掌握的互斥锁（解锁互斥量）相当于pthread_mutex_unlock(&mutex);

 1.2.两步为一个原子操作。

1. 当被唤醒，pthread_cond_wait函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex);

pthread_cond_timedwait函数

限时等待一个条件变量

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

参3：

struct timespec {

time_t tv_sec; /* seconds */ 秒

long   tv_nsec; /* nanosecondes*/ 纳秒

}

形参abstime：绝对时间。

如：time(NULL)返回的就是绝对时间。而alarm(1)是相对时间，相对当前时间定时1秒钟。

struct timespec t = {1, 0};

sem_timedwait(&sem, &t); 这样只能定时到 1970年1月1日  00:00:01秒(早已经过去)

正确用法：

time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t

t.tv_sec = cur+1; 定时1秒

pthread_cond_timedwait (&cond, &t); 传参 参APUE.11.6线程同步条件变量小节

在讲解setitimer函数时我们还提到另外一种时间类型：

        struct timeval {

             time_t      tv_sec;  /* seconds */ 秒

             suseconds_t tv_usec; /* microseconds */ 微秒

        };

pthread_cond_signal函数

唤醒至少一个阻塞在条件变量上的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_broadcast函数

唤醒全部阻塞在条件变量上的线程

       int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

生产者消费者条件变量模型

线程同步典型的案例即为生产者消费者模型，而借助条件变量来实现这一模型，是比较常见的一种方法。假定有两个线程，一个模拟生产者行为，一个模拟消费者行为。两个线程同时操作一个共享资源（一般称之为汇聚），生产向其中添加产品，消费者从中消费掉产品。

看如下示例，使用条件变量模拟生产者、消费者问题：

 【conditionVar_product_consumer.c】

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};
struct msg *head;

pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    for (;;) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
        }
        mp = head;      
        head = mp->next;    			//模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("-Consume ---%d
", mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 5);
    }
}
void *producer(void *p)
{
    struct msg *mp;
    while (1) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce ---%d
", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒
        sleep(rand() % 5);
    }
}
int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);
    return 0;
}		

　　

/*借助条件变量模拟 生产者-消费者 问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

/*链表作为公享数据,需被互斥量保护*/
struct msg {
    struct msg *next;
    int num;
};
struct msg *head;

/* 静态初始化 一个条件变量 和 一个互斥量*/
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p)
{
    struct msg *mp;

    for (;;) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while (head == NULL) {           //头指针为空,说明没有节点    可以为if吗
            pthread_cond_wait(&has_product, &lock);
        }

        mp = head;      
        head = mp->next;                //模拟消费掉一个产品
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        printf("-Consume %lu---%d
", pthread_self(), mp->num);
        free(mp);
        sleep(rand() % 4);
    }
}

void *producer(void *p)
{
    struct msg *mp;

    for (;;) {
        mp = malloc(sizeof(struct msg));
        mp->num = rand() % 1000 + 1;        //模拟生产一个产品
        printf("-Produce -------------%d
", mp->num);

        pthread_mutex_lock(&lock);
        mp->next = head;
        head = mp;
        pthread_mutex_unlock(&lock);

        pthread_cond_signal(&has_product);  //将等待在该条件变量上的一个线程唤醒

        sleep(rand() % 4);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;
    srand(time(NULL));

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);

    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    return 0;
}

条件变量的优点：

相较于mutex而言，条件变量可以减少竞争。

如直接使用mutex，除了生产者、消费者之间要竞争互斥量以外，消费者之间也需要竞争互斥量，但如果汇聚（链表）中没有数据，消费者之间竞争互斥锁是无意义的。有了条件变量机制以后，只有生产者完成生产，才会引起消费者之间的竞争。提高了程序效率。

信号量

进化版的互斥锁（1 --> N）

由于互斥锁的粒度比较大，如果我们希望在多个线程间对某一对象的部分数据进行共享，使用互斥锁是没有办法实现的，只能将整个数据对象锁住。这样虽然达到了多线程操作共享数据时保证数据正确性的目的，却无形中导致线程的并发性下降。线程从并行执行，变成了串行执行。与直接使用单进程无异。

信号量，是相对折中的一种处理方式，既能保证同步，数据不混乱，又能提高线程并发。

主要应用函数：

sem_init函数

sem_destroy函数

sem_wait函数

sem_trywait函数

sem_timedwait函数

sem_post函数

以上6 个函数的返回值都是：成功返回0， 失败返回-1，同时设置errno。(注意，它们没有pthread前缀)

sem_t类型，本质仍是结构体。但应用期间可简单看作为整数，忽略实现细节（类似于使用文件描述符）。

sem_t sem; 规定信号量sem不能 < 0。头文件 <semaphore.h>

信号量基本操作：

sem_wait: 1. 信号量大于0，则信号量-- （类比pthread_mutex_lock）

  | 2. 信号量等于0，造成线程阻塞

对应

  |

sem_post： 将信号量++，同时唤醒阻塞在信号量上的线程 （类比pthread_mutex_unlock）

但，由于sem_t的实现对用户隐藏，所以所谓的++、--操作只能通过函数来实现，而不能直接++、--符号。

信号量的初值，决定了占用信号量的线程的个数。

sem_init函数

初始化一个信号量

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

参1：sem信号量

参2：pshared取0用于线程间；取非0用于进程间

参3：value指定信号量初值

sem_destroy函数

销毁一个信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

sem_wait函数

给信号量加锁 --

int sem_wait(sem_t *sem);

sem_post函数

给信号量解锁 ++

 int sem_post(sem_t *sem);

sem_trywait函数

尝试对信号量加锁 -- (与sem_wait的区别类比lock和trylock)

 int sem_trywait(sem_t *sem);

sem_timedwait函数

限时尝试对信号量加锁 --

int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);

参2：abs_timeout采用的是绝对时间。

定时1秒：

time_t cur = time(NULL); 获取当前时间。

struct timespec t; 定义timespec 结构体变量t

t.tv_sec = cur+1; 定时1秒

sem_timedwait(&sem, &t); 传参

生产者消费者信号量模型

【例】：使用信号量完成线程间同步，模拟生产者，消费者问题。

【sem_product_consumer.c】

/*信号量实现 生产者 消费者问题*/
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM 5               

int queue[NUM];                                     //全局数组实现环形队列
sem_t blank_number, product_number;                 //空格子信号量, 产品信号量
void *producer(void *arg)
{
    int i = 0;
    while (1) {
        sem_wait(&blank_number);                    //生产者将空格子数--,为0则阻塞等待
        queue[i] = rand() % 1000 + 1;               //生产一个产品
        printf("----Produce---%d
", queue[i]);        
        sem_post(&product_number);                  //将产品数++

        i = (i+1) % NUM;                            //借助下标实现环形
        sleep(rand()%1);
    }
}

void *consumer(void *arg)
{
    int i = 0;
    while (1) {
        sem_wait(&product_number);                  //消费者将产品数--,为0则阻塞等待
        printf("-Consume---%d       %lu
", queue[i], pthread_self());
        queue[i] = 0;                               //消费一个产品 
        sem_post(&blank_number);                    //消费掉以后,将空格子数++

        i = (i+1) % NUM;
        sleep(rand()%1);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    pthread_t pid, cid;

    sem_init(&blank_number, 0, NUM);                //初始化空格子信号量为5
    sem_init(&product_number, 0, 0);                //产品数为0

    pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
    
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(pid, NULL);
    pthread_join(cid, NULL);

    sem_destroy(&blank_number);
    sem_destroy(&product_number);

    return 0;
}

分析：

规定： 如果□中有数据，生产者不能生产，只能阻塞。

如果□中没有数据，消费者不能消费，只能等待数据。

定义两个信号量：S满 = 0， S空 = 1 （S满代表满格的信号量，S空表示空格的信号量，程序起始，格子一定为空）

所以有： T生产者主函数 { T消费者主函数 {

      sem_wait(S空);      sem_wait(S满);

     生产....        消费....

      sem_post(S满);      sem_post(S空);

} }

假设： 线程到达的顺序是:T生、T生、T消。

那么： T生1 到达，将S空-1，生产，将S满+1

T生2 到达，S空已经为0， 阻塞

T消  到达，将S满-1，消费，将S空+1

三个线程到达的顺序是：T生1、T生2、T消。而执行的顺序是T生1、T消、T生2

这里，S空 表示空格子的总数，代表可占用信号量的线程总数-->1。其实这样的话，信号量就等同于互斥锁。

但，如果S空=2、3、4……就不一样了，该信号量同时可以由多个线程占用，不再是互斥的形式。因此我们说信号量是互斥锁的加强版。

 理解上述模型，推演，如果是两个消费者，一个生产者，是怎么样的情况。

【例】：结合生产者消费者信号量模型，揣摩sem_timedwait函数作用。编程实现，一个线程读用户输入， 另一个线程打印“hello world”。如果用户无输入，则每隔5秒向屏幕打印一个“hello world”；如果用户有输入，立刻打印“hello world”到屏幕。

进程间同步

互斥量mutex

进程间也可以使用互斥锁，来达到同步的目的。但应在pthread_mutex_init初始化之前，修改其属性为进程间共享。mutex的属性修改函数主要有以下几个。

主要应用函数：

pthread_mutexattr_t mattr 类型： 用于定义mutex锁的【属性】

pthread_mutexattr_init函数： 初始化一个mutex属性对象

int pthread_mutexattr_init(pthread_mutexattr_t *attr);

pthread_mutexattr_destroy函数： 销毁mutex属性对象 (而非销毁锁)

int pthread_mutexattr_destroy(pthread_mutexattr_t *attr);

pthread_mutexattr_setpshared函数： 修改mutex属性。

int pthread_mutexattr_setpshared(pthread_mutexattr_t *attr, int pshared);

参2：pshared取值：

线程锁：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE (mutex的默认属性即为线程锁，进程间私有)

进程锁：PTHREAD_PROCESS_SHARED

进程间mutex示例

进程间使用mutex来实现同步：

#include <fcntl.h>

#include <pthread.h>

#include <sys/mman.h>

#include <sys/wait.h>

struct mt {

    int num;

    pthread_mutex_t mutex;

    pthread_mutexattr_t mutexattr;

};

int main(void)

{

    int fd, i;

    struct mt *mm;

    pid_t pid;

    fd = open("mt_test", O_CREAT | O_RDWR, 0777);

    ftruncate(fd, sizeof(*mm));

    mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

    close(fd);

    unlink("mt_test");

    //mm = mmap(NULL, sizeof(*mm), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);

    memset(mm, 0, sizeof(*mm));

    pthread_mutexattr_init(&mm->mutexattr);                                  //初始化mutex属性对象

    pthread_mutexattr_setpshared(&mm->mutexattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //修改属性为进程间共享

    pthread_mutex_init(&mm->mutex, &mm->mutexattr);                          //初始化一把mutex琐

    pid = fork();

    if (pid == 0) {

        for (i = 0; i < 10; i++) {

            pthread_mutex_lock(&mm->mutex);

            (mm->num)++;

            printf("-child----num++   %d ", mm->num);

            pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);

            sleep(1);

        }

    } else if (pid > 0) {

        for ( i = 0; i < 10; i++) {

            sleep(1);

            pthread_mutex_lock(&mm->mutex);

            mm->num += 2;

            printf("-parent---num+=2  %d ", mm->num);

            pthread_mutex_unlock(&mm->mutex);

        }

        wait(NULL);

    }

    pthread_mutexattr_destroy(&mm->mutexattr);          //销毁mutex属性对象

    pthread_mutex_destroy(&mm->mutex);                //销毁mutex

    munmap(mm,sizeof(*mm));                          //释放映射区

    return 0;

} 【process_mutex.c】

文件锁

借助 fcntl函数来实现锁机制。 操作文件的进程没有获得锁时，可以打开，但无法执行read、write操作。

fcntl函数： 获取、设置文件访问控制属性。

int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );

参2：

F_SETLK (struct flock *) 设置文件锁（trylock）

F_SETLKW (struct flock *) 设置文件锁（lock）W --> wait

F_GETLK (struct flock *) 获取文件锁

参3：

        struct flock {

              ...

              short l_type;     锁的类型：F_RDLCK 、F_WRLCK 、F_UNLCK

              short l_whence;   偏移位置：SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END

              off_t l_start;    起始偏移：

              off_t l_len;      长度：0表示整个文件加锁

              pid_t l_pid;      持有该锁的进程ID：(F_GETLK only)

              ...

         };

进程间文件锁示例

多个进程对加锁文件进行访问：

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

void sys_err(char *str)

{

    perror(str); exit(1);

}

int main(int argc, char *argv[])

{

    int fd;

    struct flock f_lock;

    if (argc < 2) {

        printf("./a.out filename "); exit(1);

    }

    if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0)

        sys_err("open");

    //f_lock.l_type = F_WRLCK;        /*选用写琐*/

    f_lock.l_type = F_RDLCK;          /*选用读琐*/

    f_lock.l_whence = SEEK_SET;

    f_lock.l_start = 0;

    f_lock.l_len = 0;               /* 0表示整个文件加锁 */

    fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);

    printf("get flock ");

    sleep(10);

    f_lock.l_type = F_UNLCK;

    fcntl(fd, F_SETLKW, &f_lock);

    printf("un flock ");

    close(fd);  return 0;

} 【file_lock.c】

依然遵循“读共享、写独占”特性。但！如若进程不加锁直接操作文件，依然可访问成功，但数据势必会出现混乱。

【思考】：多线程中，可以使用文件锁吗？

多线程间共享文件描述符，而给文件加锁，是通过修改文件描述符所指向的文件结构体中的成员变量来实现的。因此，多线程中无法使用文件锁。

哲学家用餐模型分析

多线程版：

选用互斥锁mutex，如创建5个， pthread_mutex_t m[5];

模型抽象：

5个哲学家 --> 5个线程； 5支筷子 --> 5把互斥锁 int left(左手)， right(右手)

5个哲学家使用相同的逻辑，可通用一个线程主函数，void *tfn(void *arg)，使用参数来表示线程编号：int i = (int)arg;

哲学家线程根据编号知道自己是第几个哲学家，而后选定锁，锁住，吃饭。否则哲学家thinking。

     　　　　　　　　　　　  A   B   C   D   E

5支筷子，在逻辑上形成环： 0   1   2   3   4   分别对应5个哲学家：

 

所以有：

if(i == 4)

left = i, right = 0;

else

left = i, right = i+1;

振荡：如果每个人都攥着自己左手的锁，尝试去拿右手锁，拿不到则将锁释放。过会儿五个人又同时再攥着左手锁尝试拿右手锁，依然拿不到。如此往复形成另外一种极端死锁的现象——振荡。

避免振荡现象：只需5个人中，任意一个人，拿锁的方向与其他人相逆即可(如：E，原来：左：4，右：0 现在：左：0， 右：4)。

所以以上if else语句应改为：

if(i == 4)

left = 0, right = i;

else

left = i, right = i+1;

而后， 首先应让哲学家尝试加左手锁：

while {

pthread_mutex_lock(&m[left]); 如果加锁成功，函数返回再加右手锁，

如果失败，应立即释放左手锁，等待。

若，左右手都加锁成功 --> 吃 --> 吃完 --> 释放锁（应先释放右手、再释放左手，是加锁顺序的逆序）

}

主线程(main)中，初始化5把锁，销毁5把锁，创建5个线程（并将i传递给线程主函数），回收5个线程。

避免死锁的方法：

1. 当得不到所有所需资源时，放弃已经获得的资源，等待。

2. 保证资源的获取顺序，要求每个线程获取资源的顺序一致。如：A获取顺序1、2、3；B顺序应也是1、2、3。若B为3、2、1则易出现死锁现象。

多进程版

相较于多线程需注意问题：

需注意如何共享信号量 (注意：坚决不能使用全局变量 sem_t s[5])

实现：

main函数中：

循环 sem_init(&s[i], 0, 1); 将信号量初值设为1，信号量变为互斥锁。

循环 sem_destroy(&s[i]);

循环 创建 5 个子进程。 if(i < 5) 中完成子进程的代码逻辑。

循环 回收 5 个子进程。

子进程中：

if(i == 4)  

left = 0, right == 4;

else

left = i, right = i+1;

while (1) {

使用 sem_wait(&s[left]) 锁左手，尝试锁右手，若成功 --> 吃； 若不成功 --> 将左手锁释放。

吃完后， 先释放右手锁，再释放左手锁。

}

【重点注意】：

直接将sem_t s[5]放在全局位置，试图用于子进程间共享是错误的！应将其定义放置与mmap共享映射区中。main中：

sem_t *s = mmap(NULL, sizeof(sem_t) * 5, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON， -1， 0);

使用方式：将s当成数组首地址看待，与使用数组s[5]没有差异。