【Linux】一篇文章搞定多线程编程

末蓝、 2023-01-04 11:56 209阅读 0赞

### 多线程编程 ###

*  1. 线程概念
 *  2. 线程控制
 *   *  2.1 POSIX线程库
     *  2.2 线程创建
     *  2.3 线程终止
     *   *  2.4.1 退出不当僵尸进程的产生
     *  2.4 线程等待
     *  2.5 分离线程
     *  2.6 pthread\_t源码和pthread\_attr\_t源码
 *  3. 线程安全
 *  4. 线程同步与互斥
 *   *  4.1 POSIX 信号量
     *   *  4.1.1 信号量概念
         *  4.1.2 信号量保证同步互斥的原理探究
         *  4.1.3 信号量相关函数
         *   *  4.1.3.1 初始化信号量函数
             *  4.1.3.2 等待信号量函数
             *  4.1.3.3 释放信号量函数
             *  4.1.3.4 销毁信号量函数
     *  4.2 互斥量 -> 保证互斥性
     *   *  4.2.1 互斥量概念
         *  4.2.2 互斥量的实现原理探究
         *  4.2.2 POSIX互斥锁基础API
         *   *  4.2.2.1 初始化互斥锁变量函数
             *   *  4.2.2.1.1 动态初始化
                 *  4.2.2.1.2 静态初始化
             *  4.2.2.2 加锁函数
             *   *  4.2.2.2.1 阻塞加锁
                 *  4.2.2.2.1 非阻塞加锁
                 *  4.2.2.2.3 带有超时时间的加锁
             *  4.2.2.3 解锁函数
             *  4.2.2.4 销毁互斥锁函数
         *  4.2.3 带互斥锁的抢票程序
     *  4.3 条件变量 -> 保证同步性
     *   *  4.3.1 条件变量基础API
         *   *  4.3.1.1 初始化条件变量函数
             *   *  4.3.1.1.1 动态初始化
                 *  4.3.1.1.2 静态初始化
             *  4.3.1.2 销毁条件变量函数
             *  4.3.1.3 等待条件变量函数
             *  4.3.1.4 唤醒条件变量函数
             *   *  4.3.1.4.1 单个唤醒
                 *  4.3.1.4.2 广播唤醒
         *  4.3.2 为什么条件变量中用到了互斥锁？
     *  4.4 具有线程同步性与互斥性的 消费者与生产者程序

# 1. 线程概念 #

> 线程的**理解**：

*  Linux内核当中没有线程的概念，只有**轻量级进程（LWP）**，线程是**C库**中的概念
 *  一个程序中只有**一个main线程**，可以有**多个工作线程**
 *  一个线程 是执行代码的 一个**执行流**
 *  多个线程 可以**同步**执行

> 线程的**优点**：

*  创建**进程**的耗费 **高于** 创建**线程**的耗费

> 进程与线程的对比：

*  进程 是资源分配的基本单位
 *  线程 是调度的基本单位
 *  一个进程 至少拥有 一条线程
 *  线程共享进程的数据，但也拥有自己的一部分数据
 *  > 共享数据：
    > 
    > 文件描述符表 + 信号处理方式 + 当前工作目录 + 用户id + 组id
    > 
    > 独有数据：
    > 
    > 线程ID + 一组寄存器 + 调用栈 + errno + 信号屏蔽字（哪些信号该进程需要阻塞） + 调度优先级

> 进程与线程的现实比喻：

*  **进程**可以比作一个**工厂**
 *  **线程**可以比作一个工厂内**生产产品**的**生产线**
 *  **一个工厂**中生产产品的**生产线可以有多条**

> 线程与进程的组合图解：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 2. 线程控制 #

## 2.1 POSIX线程库 ##

*  线程相关的的函数构成的函数库，绝大多数函数是以`pthread_`开头的
 *  要使用这些函数需要引入头文件`pthread.h`
 *  编译含有多线程函数的源文件时，要加上编译器命令`-lpthread`选项

## 2.2 线程创建 ##

> 函数原型：
> 
>     int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
> 
> 功能：创建一个新的线程
> 
> 参数：
> 
>  *  pthread\_t: 线程标识符，是一个输出型参数，从函数返回的
>  *  pthread\_attr\_t: 设置线程的属性，attr为NULL表示使用默认属性，一般不设置线程属性，传入NULL
>  *  start\_routine : 线程启动函数指针，表示线程创建后需要执行什么函数
>  *  arg : 传给线程启动函数start\_routine的参数
> 
> 返回值：成功

`线程创建程序演示`

#include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    void* work_thread(void* arg)
    {                                    
      while(1)
      { 
        printf("I'm a work thread!\n");
        sleep(1);
      }
      return NULL;
    }
    int main()
    { 
      pthread_t pid;
      pthread_create(&pid,NULL,work_thread,NULL);
    
      while(1)
      { 
        printf("I'm a main thread!\n");
        sleep(1);
      }
    
      return 0;
    }

[gongruiyang@localhost createMulThread]$ gcc create1.c -o test.c -lpthread
    [gongruiyang@localhost createMulThread]$ ./test.c 
    I'm a main thread! I'm a work thread!
    I'm a main thread! I'm a work thread!
    I'm a main thread! I'm a work thread!
    I'm a work thread! I'm a main thread!
    I'm a work thread! I'm a main thread!
    ^C

## 2.3 线程终止 ##

> 线程终止的方法：
> 
> 1.  从`线程入口函数`中return返回
> 2.  `pthread_exit(void*)`函数，void\*参数是线程退出的信息，是返回给等待线程的，可以传递也可以不传递，谁调用谁退出
> 3.  `pthread_cancel(pthread_t)`参数是一个线程标识符，想要取消哪个线程，就传递哪个线程的标识符

`测试pthread_exit程序`

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    void* work_thread(void* arg)
    { 
      printf("1\n");
      pthread_exit(NULL);
      printf("2\n");
      //pthread_cancel(pthread_self());
      printf("3\n");                                               
      return NULL;
    }
    
    int main()
    { 
      pthread_t pid;
      int ret_create = pthread_create(&pid,NULL,work_thread,NULL);
      if(ret_create < 0)
      { 
        perror("pthread_create");
        return -1;
      }
      while(1)
      { 
        printf("main_thread:%d\n",pthread_self());
        sleep(1);
      }
    
      return 0;
    }

[gongruiyang@localhost createMulThread]$ ./test
    main_thread:1703049024
    1
    main_thread:1703049024
    main_thread:1703049024
    main_thread:1703049024
    main_thread:1703049024
    main_thread:1703049024
    ^C

*  pthread\_exit函数会立即退出该进程，后续代码不再执行

`测试pthread_cancel函数`

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    void* work_thread(void* arg)
    { 
      printf("1\n");
      //pthread_exit(NULL);
      printf("2\n");
      pthread_cancel(pthread_self());
      printf("3\n");                                               
      return NULL;
    }
    
    int main()
    { 
      pthread_t pid;
      int ret_create = pthread_create(&pid,NULL,work_thread,NULL);
      if(ret_create < 0)
      { 
        perror("pthread_create");
        return -1;
      }
      while(1)
      { 
        printf("main_thread:%d\n",pthread_self());
        sleep(1);
      }
    
      return 0;
    }

[gongruiyang@localhost createMulThread]$ ./test
    main_thread:2103330624
    1
    2
    3
    main_thread:2103330624
    main_thread:2103330624
    main_thread:2103330624
    ^C

*  pthread\_cancel函数不会立即退出指定进程，而是需要一段时间才能退出

### 2.4.1 退出不当僵尸进程的产生 ###

*  主线程创建完工作线程后立即终止，导致主线程变成僵尸进程，其资源未被回收

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    void* work_thread_task(void* arg)
    { 
      while(1)
      { 
        printf("I'm a work thread : %d\n",pthread_self());
        sleep(1);
      }
      return NULL;
    }
    int main()
    { 
      pthread_t pid;
      int ret_create = pthread_create(&pid,NULL,work_thread_task,NULL);
      if(ret_create < 0)
      { 
        perror("pthread_create");
        return -1;
      }
      pthread_exit(NULL);                                                     
      return 0;
    }

[gongruiyang@localhost ~]$ ps -aux | grep test
    gongrui+   8516  0.0  0.0      0     0 pts/0    Zl+  17:23   0:00 [test] <defunct>
    gongrui+   8530  0.0  0.0 112828   980 pts/1    R+   17:24   0:00 grep --color=auto test
    
    [gongruiyang@localhost ~]$ top -H -p 8516
    top - 17:26:32 up  4:31,  3 users,  load average: 0.04, 0.04, 0.05
    Threads:   2 total,   0 running,   1 sleeping,   0 stopped,   1 zombie
    %Cpu(s):  0.0 us,  0.7 sy,  0.0 ni, 99.3 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
    KiB Mem :  3861272 total,  2015232 free,   916552 used,   929488 buff/cache
    KiB Swap:  4063228 total,  4063228 free,        0 used.  2675052 avail Mem 
       PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                             
      8516 gongrui+  20   0       0      0      0 Z  0.0  0.0   0:00.00 test                                 
      8517 gongrui+  20   0       0      0      0 S  0.0  0.0   0:00.00 test

> 主进程pid为8561，进程状态为Z，即僵尸进程
> 
> 工作进程pid未8517，进程状态为S，即正常运行

## 2.4 线程等待 ##

*  线程在创建出来的时候，属性默认是joinable属性，意味着线程在退出的时候需要其他执行流（线程）来回收线程的资源

> 线程等待函数接口
> 
>     int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
> 
> 功能：若线程A调用了该函数等待B线程，A线程会阻塞，直到**B线程退出**后，A线程才会**解除阻塞状态**
> 
> 参数：
> 
>  *  pthread\_t : 线程标识符，要等待哪一个线程，就传递哪个线程的标识符
>  *  retval : 保存的是一个常数，
> 
> <table> 
>  <thead> 
>   <tr> 
>    <th>线程退出方式</th> 
>    <th>*retval保存的定西</th> 
>   </tr> 
>  </thead> 
>  <tbody> 
>   <tr> 
>    <td>return</td> 
>    <td>入口函数返回值</td> 
>   </tr> 
>   <tr> 
>    <td>pthread_exit函数</td> 
>    <td>pthread_exit函数参数</td> 
>   </tr> 
>   <tr> 
>    <td>pthread_cancel函数</td> 
>    <td>PTHREAD_CANCEL宏定义<br>( #define PTHREAD_CANCEL (void*) -1 )</td> 
>   </tr> 
>  </tbody> 
> </table>
> 
> 返回值：成功返回0，失败返回错误码

`程序演示`

#include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>
    #define THREAD_COUNT 4
    
    void* work_thread_task(void* arg)
    { 
      sleep(1);
      printf("work thread:%d\n",pthread_self());
        //线程退出
      pthread_exit(NULL);
    }
    int main()
    { 
      pthread_t pid[THREAD_COUNT];
        
      //创建线程
      for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
      { 
        int ret_create = pthread_create(&pid[i],NULL,work_thread_task,NULL);
        if(ret_create < 0)
        { 
          perror("pthread_create");
          return -1;
        }
      }
        
      //阻塞在join中等待线程退出
      for(int i = 0 ; i < THREAD_COUNT; i++)
        pthread_join(pid[i],NULL);
    
      while(1)
      { 
        printf("main thread : %d\n",pthread_self());
        sleep(1);
      }
    
      return 0;                                                               
    }

[gongruiyang@localhost wait]$ gcc wait.c -o test -lpthread -std=gnu99
    [gongruiyang@localhost wait]$ ./test 
    work thread:-1124186368
    work thread:-1149364480
    work thread:-1140971776
    work thread:-1132579072
    main thread : -1115846848
    main thread : -1115846848
    main thread : -1115846848
    main thread : -1115846848
    main thread : -1115846848
    ^C

## 2.5 分离线程 ##

*  分离线程是将线程标记成已分离，其属性从joinable变成detach，对于detach属性的线程终止后，系统会自动回收其资源

> 分离线程函数接口
> 
>     int pthread_detach(pthread_t thread);
> 
> 功能：将线程标记为已分离，目的是当**分离的线程终止**时，其**资源会自动释放**，**防止产生僵尸进程，防止内存泄漏**
> 
> 参数：
> 
>  *  pthread\_t :需要标记分离的线程标识符

*  调用`pthread_detach函数`的位置可以是：
    
    1.  在主线程中调用分离创建出来的线程，即主线程标记分离工作线程；
    2.  在工作线程的线程入口函数中调用，即自己标记分离自己;
 *  线程分离的实质就是将`线程的属性`设置为`detach`

`程序演示`

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    #define THREAD_COUNT 4
    
    void* work_thread_task(void* arg)
    { 
        //线程分离自身
      pthread_detach(pthread_self());
      printf("work thread : %d\n",pthread_self());
      pthread_exit(NULL);
    }
    
    int main()
    { 
      pthread_t ptid[THREAD_COUNT];
    
      for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
      { 
        int ret_create = pthread_create(&ptid[i],NULL,work_thread_task,NULL);
        if(ret_create < 0)
        { 
          perror("pthread_create");
          return -1;
        }
      }
    
      while(1)
      { 
        printf("main thread : %d\n",pthread_self());
        sleep(1);                                                              
      }
      return 0;
    }

[gongruiyang@localhost detach]$ ./test 
    main thread : 1528891200
    work thread : 1520551680
    work thread : 1512158976
    work thread : 1503766272
    work thread : 1495373568
    main thread : 1528891200
    main thread : 1528891200
    main thread : 1528891200
    ^C

## 2.6 pthread\_t源码和pthread\_attr\_t源码 ##

`pthread_t源码`

typedef unsigned long int pthread_t;

`pthread_attr_t源码`

union pthread_attr_t
    { 
        char __size[__SIZEOF_PTHREAD_ATTR_T];
        long int __align;
    };
    #ifndef __have_pthread_attr_t
    typedef union pthread_attr_t pthread_attr_t;
    # define __have_pthread_attr_t 1
    #endif

# 3. 线程安全 #

> 使用一个 抢票程序 演示线程安全的概念及重要性

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    
    // 2个线程共同抢票
    #define THREAD_COUNT 2 
    
    // 100张票
    int ticket = 100;
    
    void* work_thread_task(void* arg)
    { 
       // 创建出来的线程只要 有票 ，就一直抢票
      while(1)
      { 
        if(ticket > 0)
        { 
          ticket--;
          printf(" %p get one! rest : %d\n",pthread_self(),ticket);
        }
        else
          break;
      }
        //票没了，线程退出
      return NULL;
    }
    
    int main()
    { 
      //线程标识符
      pthread_t ptid[THREAD_COUNT];
    	
      //线程创建
      for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
      { 
        int ret_create = pthread_create(&ptid[i],NULL,work_thread_task,NULL);
        if(ret_create < 0)
        { 
          perror("pthread_create");
          return -1;
        }
      }
    	
      //主线程 等待子线程的退出，并回收他们的资源
      for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
        pthread_join(ptid[i],NULL);
    
      return 0;
    }

线程不安全的原因：同一时刻两个线程对同一个数据进行修改，导致程序结果出现二义性

详细解释：

1.  假设同一个程序中有`两个线程`，分别为线程A和线程B，并且有一个`int类型的全局变量`，其值为10，线程A和线程B在各自的入口函数当中都对这样的一个全局变量进行`++操作`
2.  当线程A拥有CPU之后，对全局变量进行++操作是`非原子性`的操作，也就意味着，这个操作随时可能会被打断，假设线程A刚刚将全局变量的数值10读取到CPU的寄存器中时就被切换出去了；（程序计数器中保存着线程A下一步要执行的指令，上下文信息中保存寄存器的值，这两个东西是为了当线程A再次拥有CPU使用权的时候，还原当时线程A切换出去的线程现场使用的）
3.  当线程A被切换出去后，这会儿，可能线程B获得CPU时间片，对全局变量进行了++操作，此时全局变量从10变成了11，并且回写到了内存中去
4.  当线程A再次拥有CPU时间片之后，恢复当时切换出去的现场，继续往下执行，由于上下文信息中保存的全局变量值仍然是10，执行完++操作后变成11，然后再写回内存中，全局变量的值仍然还是11
5.  虽然，两个线程都对这个全局变量进行了++操作，但是从值上面来看，全局变量仅仅进行了一次++操作
6.  这就是线程的不安全

# 4. 线程同步与互斥 #

> `互斥`：保证各个线程对`共享资源`的`独占式访问`
> 
> `同步`：保证各个线程对于`共享资源`的`访问具有合理性`

*  为了控制线程对`共享资源`的`独占式访问`,并且`访问次序`具有`合理性`，有以下三种方式实现`线程同步`
    
    1.  `POSIX信号量`
    2.  `互斥量`
    3.  `条件变量`

> 什么是对共享资源的独占式访问呢？

举一个栗子：同学们在上厕所的时候，`坑位`就是一个`共享资源`，同学们在上厕所时，将`厕所门`关上，就是对共享资源的`独占式访问`，在你上厕所的时候，别人进不来（无法访问），引申到代码中，就是相当：将对于一个变量的操作变成`原子性操作`，要么操作成功，要么没操作，不存在操作一半被打断的情况

## 4.1 POSIX 信号量 ##

### 4.1.1 信号量概念 ###

*  信号量本质是 计数器 + PCB等待队列 + 函数接口
 *  计数器：对共享资源的计数
    
     *  当执行流获取信号量成功后，信号量当中的计数器会进行减一操作，当获取失败后，该执行流就会被放入PCB等待队列当中
     *  当执行流释放信号量成功之后，信号量当中的计数器会进行加一操作
 *  PCB等待队列：用于存放等待信号量的线程
 *  函数接口：用于操作信号量的一组函数

### 4.1.2 信号量保证同步互斥的原理探究 ###

*  信号量不仅仅可以完成`线程`之间的同步与互斥，也可以完成`进程`之间的同步与互斥

> `互斥原理`

1.  `初始化信号量`后，信号量中的计数器保存的`数值为1`，**表示说只有一个资源可以被使用**
2.  当执行流A想要访问共享资源时，首先获取信号量，由于计数器中的值为1，表示可以访问，执行流A获取到信号量后，**计数器的值从1变成0**，从而执行流A去访问共享资源
3.  此时，执行流B想要去访问共享资源，执行流B首先得去获取信号量，但是信号量中的**计数器中的值为0**，表示**无法获取该信号量**，进而无法访问共享资源，因此，**执行流B的PCB**被放进了`PCB等待队列`当中，**等待目标信号量的释放**，同时信号量当中的计数器的值进行`减一操作`，**计数器中的值变成了-1，这里的-1表示当前还有1个执行流在等待访问共享资源**

> `同步原理`

1.  当执行流想要访问`共享资源`的时候，`首先`需要获取信号量
2.  如果信号量中的计数器`大于0`，则表示`能`够获取信号量，并且访问共享资源
3.  如果信号量中的计数器`小于或等于0`，则表示`不能`获取信号量，并且无法访问共享资源，该执行流被放入PCB等待队列中，同时计数器进行减一操作
4.  当`释放`信号量的时候，会对信号量中的计数器进行`加一操作`
5.  如果信号量中的计数器`大于0`，则`唤醒`PCB等待队列中的线程
6.  如果信号量中的计数器`小于或等于0`，则`不唤醒`PCB等待队列中的线程

### 4.1.3 信号量相关函数 ###

*  POSIX信号量的函数的名字都是以`sem_`开头，常用的POSIX信号量函数有以下这些

#include <semaphore.h>
    int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
    int sem_destroy(sem_t *sem);
    
    int sem_wait(sem_t *sem);
    int sem_trywait(sem_t *sem);
    int sem_timedwait(sem_t *sem, struct timespec*abs_timeout);

*  `sem_t`是一个信号量共用体

`sem_t源码`

typedef union
    { 
        char __size[__SIZEOF_SEM_T];
        long int __align;
    } sem_t;

#### 4.1.3.1 初始化信号量函数 ####

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

功能：初始化一个信号量

参数：

*  `sem`：指向被操作的信号量，传入信号量的地址
 *  `pshared`：表示该信号量是用于进程间的还是用于线程间的，填入以下的值

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>数值</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>0</td> 
   <td>用于线程间</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>非0</td> 
   <td>用于进程间</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

*  `value`：资源的个数，本质上就是计数器的值

#### 4.1.3.2 等待信号量函数 ####

int sem_wait(sem_t *sem);

功能：执行流调用该函数后，将会对计数器进行减一操作

1.  如果说：减一操作后，计数器的值大于0，表示其他执行流仍然可以访问共享资源
2.  如果说：减一操作后，计数器的值等于0，表示该执行流可以访问共享资源，其他执行流若想访问需要进入PCB等待队列
3.  如果说：减一操作后，计数器的值小于0，表示当前执行流需要进入PCB等待队列，其他执行流若想访问也需要进入PCB等待队列

参数：

*  `sem`：指向被操作的信号量，传入信号量的地址

#### 4.1.3.3 释放信号量函数 ####

int sem_post(sem_t *sem);

功能：执行流调用该函数后，将会对计数器进行加一操作

参数：

*  `sem`：指向被操作的信号量，传入信号量的地址

#### 4.1.3.4 销毁信号量函数 ####

int sem_destroy(sem_t *sem);

功能：销毁目标信号量

参数：

*  `sem`：指向被操作的信号量，传入信号量的地址

## 4.2 互斥量 -> 保证互斥性 ##

### 4.2.1 互斥量概念 ###

*  `互斥量`是`互斥锁`内部的一个计数器，这个计数器的取值只能为0或1，可以用于`保护关键代码`，以确保其被`独占式的访问`
 *  `互斥量为1`的时候，代表线程`可以获得该互斥锁`，也就意味着`可以访问`到共享资源
 *  `互斥量为0`的时候，代表该互斥锁`已经被其他线程占用`，也就意味着**除了获得互斥锁的线程之外**的线程都`无法访问`到共享资源
 *  当进入关键代码段之前，我们需要`获得互斥锁`并`将关键代码段加锁`，由于该关键代码段已被`互斥锁`锁上，其他线程如果没有该互斥锁，是无法访问该代码段的，只能等待`锁被归还`后，再拿到该代码段的互斥锁，执行该代码段
 *  当`关键代码段执行完毕`之后，需要对关键代码段进行`解锁`并`归还互斥锁`，以`唤醒`其他等待该互斥锁的线程

### 4.2.2 互斥量的实现原理探究 ###

*  前面我们说了，单纯的++操作并不是原子性操作，那么互斥量从`0变成1`和从`1变成0`是如何保证原子性的呢？

> 为了保证互斥锁操作，大多数体系结构都提供了swap和exchange指令，该指令作用是把寄存器和内存单元的数据相交换，由于只有一条指令，只会出现执行成功和未执行两种情况，所以是原子性的

图解原理：想要获得互斥锁并加锁

1.  寄存器中的值赋为0
2.  将`寄存器`中的值和`内存`中的值进行`交换`
3.  若寄存器中的值为`1`，表示该锁`未被`别的线程拿走，表示`可以`占用该锁
4.  若寄存器中的值为`0`，表示该锁`已被`别的线程拿走，表示`不可以`占用该锁

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### 4.2.2 POSIX互斥锁基础API ###

*  POSIX互斥锁的相关函数主要有以下5个

#include <pyhread.h>
    int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
    int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
    
    int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
    int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
    int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

*  这些函数的第一个参数mutex都是一个`pthread_mutex_t结构体`指针变量，指向要操作的目标`互斥锁结构体`
 *  参数attr是一个`pthread_mutexattr_t结构`指针变量，指向`互斥锁属性结构体`，如果填入NULL，表示使用默认属性

#### 4.2.2.1 初始化互斥锁变量函数 ####

##### 4.2.2.1.1 动态初始化 #####

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

功能：初始化一个互斥锁结构体的属性

参数：

*  pthread\_mutex\_t\* : 一个指向`pthread_mutex_t结构体`的指针变量
 *  pthread\_mutexattr\_t\* ： 一个指向`pthread_mutexattr_t结构`的指针变量

返回值：成功返回0，失败返回errno

##### 4.2.2.1.2 静态初始化 #####

*  使用`宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER`来初始化一个互斥锁结构体，实际上该宏是将互斥锁的各个字段初始化为0

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

宏定义源码：

#define PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER \ { { 0, 0, 0, 0, 0, __PTHREAD_SPINS, { 0, 0 } } }

#### 4.2.2.2 加锁函数 ####

##### 4.2.2.2.1 阻塞加锁 #####

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：给 `关键代码` 阻塞等待加锁

参数：

*  pthread\_mutex\_t\* : 一个指向`pthread_mutex_t结构体`的指针变量

返回值：返回0表示成功；加锁失败返回errno

> 阻塞加锁解释：
> 
> 如果mutex中互斥量的值为1，则pthread\_mutex\_lock函数就返回0表示加锁成功
> 
> 如果mutex中互斥量的值为0，则线程`阻塞`在pthread\_mutex\_lock函数中，直到加锁成功

##### 4.2.2.2.1 非阻塞加锁 #####

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：给 `关键代码` 非阻塞加锁

参数：

*  pthread\_mutex\_t\* : 一个指向`pthread_mutex_t结构体`的指针变量

返回值：返回0表示成功；加锁失败返回errno

> 非阻塞加锁解释：
> 
> 如果mutex中互斥量的值为1，则pthread\_mutex\_trylock函数就`返回0`表示加锁成功
> 
> 如果mutex中互斥量的值为0，则pthread\_mutex\_trylock函数就`返回错误码EBUSY`

##### 4.2.2.2.3 带有超时时间的加锁 #####

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abs_timeout);

功能：如果不能立即获得目标互斥锁，则等待abs\_timeout时间，如果在等待时间内加锁成功则直接返回，如果超过等待时间则直接返回表示加锁失败

#### 4.2.2.3 解锁函数 ####

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：以原子操作的方式给一个互斥锁解锁，如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则其他线程会获得该互斥锁

参数：

*  pthread\_mutex\_t\* : 一个指向`pthread_mutex_t结构体`的指针变量

返回值：返回0表示解锁成功；解锁失败返回errno

> 将互斥锁中的互斥量从0变成1，表示其他线程可以获取该互斥锁了

#### 4.2.2.4 销毁互斥锁函数 ####

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

功能：将目标互斥锁销毁

参数：

*  pthread\_mutex\_t\* : 一个指向`pthread_mutex_t结构体`的指针变量

返回值：销毁成功返回0；销毁失败返回errno

### 4.2.3 带互斥锁的抢票程序 ###

#include <stdio.h>
    #include <unistd.h>
    #include <pthread.h>
    
    #define THREAD_COUNT 4 //线程数量
    
    //定义一个互斥锁
    pthread_mutex_t lock_ticket;
    
    int ticket = 100;	//票总量
    
    void* work_thread_task(void* arg)
    { 
      while(ticket > 0)
      { 
        //锁上互斥锁:在开始访问临界资源的地方加锁
        pthread_mutex_lock(&lock_ticket);
        if(ticket > 0)
        { 
          printf("I'm : %p! rest : %d\n",pthread_self(),ticket);
          ticket--;
        }
        else
        { 
          //解除互斥锁
          pthread_mutex_unlock(&lock_ticket);
          break;
        }
        //解除互斥锁
        pthread_mutex_unlock(&lock_ticket);                                              
      }
    
      //线程退出
      pthread_exit(NULL);
    }
    
    int main()
    { 
      //初始化互斥锁
      pthread_mutex_init(&lock_ticket,NULL);
    
      pthread_t ptid[THREAD_COUNT];
    
      //创建线程
      for(int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++)
      { 
        int ret_create = pthread_create(&ptid[i],NULL,work_thread_task,NULL);
        if(ret_create < 0)
        { 
          perror("pthread_create");
          return -1;
        }
      }
    
      //等待工作线程退出并回收资源
      for(int i = 0 ; i < THREAD_COUNT; i++)
        pthread_join(ptid[i],NULL);
      //销毁互斥锁
      pthread_mutex_destroy(&lock_ticket);
    
      return 0;
    }

## 4.3 条件变量 -> 保证同步性 ##

*  条件变量提供了一种线程间的通知机制：当某个共享数据达到某个值的时候，唤醒等待这个共享数据的线程
 *  条件变量本质是一个PCB等待队列

### 4.3.1 条件变量基础API ###

*  条件变量的相关函数主要以下几个

#include <pthread.h>
    int pthread_cond_init(pthread_cond_t * cond,pthread_condattr_t * attr);
    pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    
    int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
    
    int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t * cond, pthread_mutex_t * mutex, struct timespec * abstime);
    int pthread_cond_wait(pthread_cond_t * cond, pthread_mutex_t * mutex);
    
    int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
    int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

*  `pthread_cond_t`是**条件变量结构体**
 *  `pthread_condattr_t`是**条件变量属性结构体**
 *  `PTHREAD_COND_INITIALIZER`是一个宏，用来**初始化条件变量结构体**的，本质是将条件变量各个字段设置为0

#### 4.3.1.1 初始化条件变量函数 ####

##### 4.3.1.1.1 动态初始化 #####

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

功能：`初始化`条件变量结构体

参数：

*  pthread\_cond\_t : 条件变量结构体指针
 *  pthread\_condattr\_t ： 条件变量属性结构体指针，常传入NULL，使用默认的属性

pthread_cond_t cond;
    pthread_cond_init(&cond,NULL);

##### 4.3.1.1.2 静态初始化 #####

*  使用宏`PTHREAD_COND_INITIALIZER`初始化条件变量

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

#### 4.3.1.2 销毁条件变量函数 ####

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

功能：`销毁`一个条件变量

参数：

*  pthread\_cond\_t : 条件变量结构体指针

pthread_cond_destroy(&cond)

#### 4.3.1.3 等待条件变量函数 ####

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

功能：将调用该函数的线程放入`PCB等待队列`中

参数：

*  pthread\_cond\_t : 条件变量结构体指针
 *  mutex : 该线程等待的互斥锁

#### 4.3.1.4 唤醒条件变量函数 ####

##### 4.3.1.4.1 单个唤醒 #####

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

功能：`唤醒一个`等待目标条件变量的线程，至于唤醒的是哪个线程，取决于线程的`优先级`和`调度策略`

参数：

*  pthread\_cond\_t : 条件变量结构体指针

##### 4.3.1.4.2 广播唤醒 #####

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

功能：以`广播的方式`唤醒所有等待目标条件变量的线程

参数：

*  pthread\_cond\_t : 条件变量结构体指针

### 4.3.2 为什么条件变量中用到了互斥锁？ ###

*  条件变量只能保证线程的同步性，但是无法保证线程的互斥性
 *  互斥锁只能保证线程的互斥性，但是无法保证线程的同步性
 *  将两个一起使用，既可以保证线程的同步性又可以保证线程的互斥性

## 4.4 具有线程同步性与互斥性的 消费者与生产者程序 ##

*  生产着生产一个，提醒消费者消费
 *  消费者消费完毕后提醒生产者生产
 *  进而，消费与生产达到平衡

#include <stdio.h> 
    #include <unistd.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <pthread.h>
    
    #define THREAD_COUNT 3
    int resource = 1;
    
    pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
    pthread_cond_t consumer_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    pthread_cond_t producer_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
    
    void* consumer_task(void* arg)
    { 
      while(1)
      { 
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(resource <= 0)
        { 
          pthread_cond_wait(&consumer_cond,&lock);
        }
        printf("consumer thread : [%p], rest resource : [%d]\n",pthread_self(),resource);
        resource--;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        pthread_cond_signal(&producer_cond);
      }
      return NULL;
    }
    void* producer_task(void* arg)
    { 
      while(1)
      { 
        pthread_mutex_lock(&lock);
        while(resource > 0)
        { 
          pthread_cond_wait(&producer_cond,&lock);
        }
        printf("producer thread : [%p], rest resource : [%d]\n",pthread_self(),resource);
        resource++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
        pthread_cond_signal(&consumer_cond);
      }
      return NULL;
    }
    
    
    int main()
    { 
      pthread_t consumer[THREAD_COUNT],producer[THREAD_COUNT];
      for(int i = 0 ; i < THREAD_COUNT; i++)
      { 
        //创建消费者线程
        int ret_cons = pthread_create(&consumer[i],NULL,consumer_task,NULL);
        if(ret_cons < 0)
        { 
          perror("pthread_create");
          return -1;
        }
        //创建生产者线程
        int ret_prod = pthread_create(&producer[i],NULL,producer_task,NULL);
        if(ret_prod < 0)
        { 
          perror("pthread_create");
          return -1;
        }
      }
      for(int i = 0 ; i < THREAD_COUNT; i++)
      { 
        pthread_join(consumer[i],NULL);
        pthread_join(producer[i],NULL);
      }
    
    
      pthread_cond_destroy(&consumer_cond);
      pthread_cond_destroy(&producer_cond);
      pthread_mutex_destroy(&lock);
    
      return 0;
    }

> Q1：为什么先将线程放入PCB等待队列中后才释放锁？
> 
> A:如果先释放锁再进入PCB等待队列可能会出现以下情况:
> 
> 生产者将锁释放后还没来得及进入PCB等待队列，此时，消费者已经拿到锁并消耗资源并唤醒PCB等待队列，但是由于生产者还未来得及入队，导致没有生产者被唤醒，在消费者唤醒之后，生产者再入队，此时出现，没有生产者生产，消费者无法消费 的局面

> Q2：线程被唤醒后，需要做啥事？
> 
> A：从PCB等待队列当中移除出来，抢占互斥锁
> 
> 情况1：拿到互斥锁，从pthread\_cond\_wait函数返回出来
> 
> 情况2：没有抢占到互斥锁，阻塞在pthread\_cond\_wait函数内部

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221119/6661235e8efb4ca1b825a7892a561b1c.png