Linux：线程同步与互斥

目录

线程互斥

锁

初始化 

销毁

加锁

解锁 

线程同步

条件变量

初始化

销毁

等待条件满足

唤醒等待

pthread_cond_signal

pthread_cond_broadcast

生产者消费者模型

3种关系

2种角色

1个交易场所 

POSIX信号量

初始化

销毁

等待

发布

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线程互斥

互斥相关概念

临界资源：多线程执行流共享的资源就叫做临界资源。 

临界区：每个线程内部，访问临界资源的代码，就叫做临界区。

互斥：任何时刻，互斥保证有且只有一个执行流进入临界区，访问临界资源，通常对临界资源起保护作用。

原子性：不会被任何调度机制打断的操作，该操作只有两态，要么完成，要么未完成。

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多线程并发操作一些共享变量会有一些问题

例如变量++，--的操作就不能多线程并发访问

++，--的操作在汇编中需要分为3步

1.将变量从内存加载到寄存器中

2.更新寄存器里面的值，执行+1（-1）操作

3.将新值从寄存器写回会变量的内存地址中

因为寄存器用的都是同一个，在并发访问时就会出现问题

要解决以上问题，需要做到三点：

1.代码必须要有互斥行为：当代码进入临界区执行时，不允许其他线程进入该临界区。 

2.如果多个线程同时要求执行临界区的代码，并且临界区没有线程在执行，那么只能允许一个线程进入该临界区。

3.如果线程不在临界区中执行，那么该线程不能阻止其他线程进入临界区。

想要做到这三点，我们可以使用一把锁。Linux上提供的这把锁叫互斥量 

锁

pthread_mutex_t 

这是一个互斥锁的类型，定义在POSIX线程库中。

互斥锁用于保护共享资源的访问，确保在多线程环境中，同一时间只有一个线程可以访问该资源，从而避免数据竞争和不一致的问题。

我们可以用这个类型来定义一个锁变量，并初始化它

初始化 

方法1：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 

PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER这是一个宏，用于初始化静态分配的互斥锁

方法2：

#include <pthread.h>int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, 
const pthread_mutexattr_t *mutexattr);

mutex：指向要初始化的互斥锁对象的指针

mutexattr：指向互斥锁属性对象的指针。如果为NULL，则使用默认属性（一般情况使用NULL即可）

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

销毁

锁也需要像malloc，new出来的动态内存一样需要我们手动释放，但并不是所有情况都需要手动释放的

当使用PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER初始化的互斥量不需要销毁

#include <pthread.h>int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

mutex：指向要销毁的互斥锁对象的指针

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

加锁

我们可以对一段代码区进行加锁，这样就只能有单执行流访问一段代码了

#include <pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_lock用于锁定一个互斥锁

mutex：指向要锁定的互斥锁对象的指针

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

解锁 

有加锁当然也会有解锁，加锁和解锁之间的区域就是我们拥有锁的区域

#include <pthread.h>int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

pthread_mutex_unlock用于解锁一个互斥锁

mutex：指向要解锁的互斥锁对象的指针

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

线程同步

条件变量

条件变量是一种在多线程编程中用于线程同步的机制，它允许线程在某些条件不满足时进入等待状态，直到条件满足时才被唤醒继续执行。 

初始化

初始化一个条件变量。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond
, const pthread_condattr_t *cond_attr);

cond：指向条件变量的指针，需要初始化的条件变量。

cond_attr： 指向条件变量属性的指针。如果为NULL，则使用默认属性。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

销毁

销毁一个条件变量，释放相关资源。 

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

 cond：指向条件变量的指针，需要销毁的条件变量。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

等待条件满足

使线程进入等待状态，直到条件变量被通知。 

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

cond：指向条件变量的指针。

mutex：指向互斥锁的指针，该互斥锁必须已经被当前线程锁定。

当调用pthread_cond_wait的时候，线程会释放mutex，并进入等待状态

当条件变量被通知时，线程会被唤醒，并重新尝试获取mutex

唤醒等待

pthread_cond_signal

通知一个等待条件变量的线程。

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

cond：指向条件变量的指针。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

pthread_cond_broadcast

通知所有等待条件变量的线程。

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

cond：指向条件变量的指针。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

生产者消费者模型

3种关系

生产者之间：竞争关系，互斥关系

消费者之间：竞争关系，互斥关系

生产者和消费者之间：竞争关系，互斥关系，同步关系

2种角色

生产者角色和消费者角色

1个交易场所 

以特定结构构成的内存空间

POSIX信号量

初始化

初始化一个信号量。

#include <semaphore.h>int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);

sem：指向信号量的指针。

pshared：指定信号量是否可以在不同进程之间共享。为0：信号量仅在当前进程内的线程之间共享。非0：信号量可以在不同进程之间共享（需要映射到共享内存）

value：信号量的初始值。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

销毁

销毁一个信号量，释放相关资源。 

#include <semaphore.h>int sem_destroy(sem_t *sem);

sem：指向信号量的指针。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

等待

使线程进入等待状态，直到信号量的值大于零，然后将信号量的值减一。

#include <semaphore.h>int sem_wait(sem_t *sem);

sem：指向信号量的指针。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

发布

将信号量的值加一，通知等待信号量的线程。

#include <semaphore.h>int sem_post(sem_t *sem);

sem：指向信号量的指针。

返回值：

成功：返回0 

失败：返回错误码

---

完