Linux 多线程开发

网络编程系列文章：

第1章 Linux系统编程入门（上）
第1章 Linux系统编程入门（下）

第2章 Linux多进程开发（上）
第2章 Linux多进程开发（下）

第3章 Linux多线程开发

第4章 Linux网络编程

• 4.1 网络基础
• 4.2 socket 通信基础
• 4.3 TCP套接字通信
• 4.4 IO多路复用
• 4.5 UDP 通信

第5章 Web服务器

3.1 线程

• 线程概述

  • 与进程（ process ）类似，线程 ( thread ）是允许应用程序 并发执行 多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域 ，其中包括 初始化数据段、未初始化数据段，以及 堆内存段。（传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例，该进程只包含一个线程）

  • 进程 是 CPU 分配资源的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。

  • 线程是轻量级的进程（ LWP Light Weight Process ），在 Linux 环境下线程的本质仍是进程。

  • 查看指定进程的 LWP 号： ps -Lf pid

    例如：打开火狐浏览器，查看进程所包含的线程

    

    

• 线程和进程区别

  • 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。
  • 调用 fork() 来创建进程的代价相对较高，即便利用写时复制技术，仍然需要复制诸如 内存页表 和 文件描述符表 之类的多种 进程属性，这意味着 fork() 调用在时间上的开销依然不菲。
  • 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到 共享（全局或堆）变量 中即可。
  • 创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的，无需采用写时复制来复制内存，也无需复制页表。

• 线程和进程虚拟地址空间

• 线程之间共享 和 非共享资源

  • 共享资源

    • 进程 ID 和父进程 ID
    • 进程组 ID 和会话 ID
    • 用户 ID 和 用户组 ID
    • 文件描述符表 （这些都是内核中的数据）
    • 信号处置
    • 文件系统的相关信息：文件权限掩码 ( umask ）、当前工作目录
    • 虚拟地址空间（除 栈、 .text )

  • 非共享资源

    • 线程 ID
    • 信号掩码
    • 线程特有数据
    • error 变量
    • 实时调度策略和优先级
    • 栈，本地变量和函数的调用链接信息

• NPTL 简介

  • 当 Linux 最初开发时，在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过 clone() 系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程（ calling process ）的一个拷贝，这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。 LinuxThreads 项目使用这个调用来完成在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是，这种方法有一些缺点，尤其是在信号处理、调度和进程间同步等方面都存在问题。另外，这个线程模型也不符合 POSIX 的要求。

  • 要改进 LinuxThreads ，需要内核的支持，并且重写线程库。有两个相互竞争的项目开始来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT ( Next Generation POSIX Threads ）项目。同时Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。 NGPT 在 2003 年中期被放弃了，把这个领域完全留给了 NPTL 。

  • NPTL ，或称为 Native POSIX Thread Library ，是 Linux 线程的一个新实现，它克服了 LinuxThreads 的缺点，同时也符合 POSIX 的需求。与 LinuxThreads 相比，它在性能和稳定性方面都提供了重大的改进。

  • 查看当前 pthread 库版本：getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

    

3.1.2 线程操作

// 创建一个子线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);// 获取当前的线程的线程ID
pthread_t pthread_self(void);// 比较两个线程ID是否相等
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);// 终止一个线程
void pthread_exit(void *retval);// 和一个已经终止的线程进行连接
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);// 分离一个线程。被分离的线程在终止的时候，会自动释放资源返回给系统
int pthread_detach(pthread_t thread);// 取消线程（让线程终止）
int pthread_cancel(pthread_t thread);

• 以上命令也可以使用 man pthread + 按两次Tab键 / man -k pthread 进行查询

  # 如果输入，显示 没有 pthread 的手册页条目
  # 执行如下两条命令
  sudo apt-get install glibc-doc
  sudo apt-get install manpages-posix manpages-posix-dev# 再输入
  man pthread + 按两次Tab键
  man -k pthread
  

  

  

• 一般情况下, main 函数所在的线程我们称之为主线程（main线程），其余创建的线程称之为 子线程。

  • 程序中默认只有一个进程，fork() 函数调用，会有2进程。（主进程、子进程）
  • 程序中默认只有一个线程，pthread_create() 函数调用，2个线程。（主线程、子线程）

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

  • 功能：创建 一个子线程

  • 参数：

    • thread：传出参数，线程创建成功后，子线程的线程ID 被写到该变量中。
    • attr : 设置线程的属性，一般使用默认值，NULL
    • start_routine : 函数指针，这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
    • arg : 给第三个参数使用，传参

  • 返回值：

    • 成功：0
    • 失败：返回错误号。这个错误号和之前 errno 不太一样。
      • 获取错误号的信息： char * strerror(int errnum);

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>// 子线程
    void * callback(void * arg) {printf("child thread...\n");printf("arg value: %d\n", *(int *)arg);return NULL;
    }int main() { // 主线程pthread_t tid;int num = 10;// 创建一个子线程int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, (void *)&num);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);} for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}sleep(1);return 0;   // exit(0); 退出进程
    }
    

    • 编译上面对的pthread_create.c文件：gcc pthread_create.c -o create -lpthread，因为 pthread.h 是第三方库，所有要使用 -l库名 链接。⭐️⭐️⭐️
      

• void pthread_exit(void *retval);

  • 功能：终止一个线程，在哪个线程中调用，就表示终止哪个线程
  • 参数：
    • retval: 需要传递一个指针，作为一个返回值，可以在 pthread_join() 中获取到。

• pthread_t pthread_self(void);

  • 功能：获取 当前的线程的 线程ID

• int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

  • 功能：比较 两个线程ID是否相等

  注意：不同的操作系统，pthread_t 类型的实现不一样，有的是 无符号的长整型，有的是使用 结构体 去实现的。

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>void * callback(void * arg) {printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());return NULL;    // pthread_exit(NULL);
  } int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);}// 主线程for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());// 让主线程退出,当主线程退出时，不会影响其他正常运行的线程。pthread_exit(NULL);printf("main thread exit\n"); // 该句不会运行return 0;   // exit(0);
  }
  

• int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

  • 功能：和一个已经终止的线程进行 连接
    回收子线程的资源
    这个函数是阻塞函数，调用一次只能回收一个子线程
    一般在主线程中使用
  • 参数：
    • thread：需要回收的子线程的ID
    • retval: 接收子线程退出时的返回值 (二级指针)
  • 返回值：
    0 : 成功
    非0 : 失败，返回的错误号

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>int value = 10;  //全局变量（共享）void * callback(void * arg) {printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());// sleep(3);// return NULL; // int value = 10; // 局部变量，该线程退出时就会销毁pthread_exit((void *)&value);   //等同： return (void *)&value;
  } int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);}// 主线程for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());// 主线程调用pthread_join()回收子线程的资源int * thread_retval;ret = pthread_join(tid, (void **)&thread_retval);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);}printf("exit data : %d\n", *thread_retval); // 返回的全局变量 （如果是子线程中的局部变量，会返回随机值，因为子线程中的局部变量被收回）printf("回收子线程资源成功！\n");// 让主线程退出,当主线程退出时，不会影响其他正常运行的线程。pthread_exit(NULL);return 0; 
  }

• int pthread_detach(pthread_t thread);

  • 功能：分离 一个线程。被分离的线程在终止的时候，会自动释放资源返回给系统。

    1. 不能多次分离，会产生不可预料的行为。
    2. 不能去连接一个已经分离的线程，会报错。

  • 参数：需要分离的线程的ID

  • 返回值：

    成功：0

    失败：返回错误号

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>void * callback(void * arg) {printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());return NULL;
  }int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error1 : %s\n", errstr);}// 输出主线程和子线程的idprintf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());// 设置子线程分离,子线程分离后，子线程结束时对应的资源就不需要主线程释放ret = pthread_detach(tid);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error2 : %s\n", errstr);}// 设置分离后，对分离的子线程进行连接 pthread_join()// ret = pthread_join(tid, NULL);// if(ret != 0) {//     char * errstr = strerror(ret);//     printf("error3 : %s\n", errstr);// }pthread_exit(NULL);return 0;
  }
  

• int pthread_cancel(pthread_t thread);

  • 功能：取消 线程（让线程终止）

    取消某个线程，可以终止某个线程的运行，

    但是并不是立马终止，而是当子线程执行到一个取消点，线程才会终止。

    • 取消点：系统规定好的一些 系统调用，我们可以粗略的理解为 从 用户区 到 内核区 的切换，这个位置称之为取消点。

  • 返回值：（和上面的相同）

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>void * callback(void * arg) {printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("child : %d\n", i); // 也是一个取消点}return NULL;
  }int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error1 : %s\n", errstr);}// 取消线程pthread_cancel(tid);for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}// 输出主线程和子线程的idprintf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());pthread_exit(NULL);return 0;
  }
  

3.1.2 线程属性

// 线程属性类型： pthread_attr_t
// 初始化线程属性变量
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);// 释放线程属性的资源
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);// 获取线程分离的状态属性
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);// 设置线程分离的状态属性
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);

• 查看线程属性的操作：man pthread_attr_+按两次Tab键

  

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>void * callback(void * arg) {printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());return NULL;
  }int main() {// 创建一个线程属性变量pthread_attr_t attr;// 初始化属性变量pthread_attr_init(&attr);// 设置属性pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error1 : %s\n", errstr);}// 获取线程的栈的大小size_t size;pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);printf("thread stack size : %ld\n", size);// 输出主线程和子线程的idprintf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());// 释放线程属性资源pthread_attr_destroy(&attr);pthread_exit(NULL);return 0;
  }
  

3.2 线程同步

• 线程的主要优势在于，能够通过 全局变量 来共享信息。不过，这种便捷的共享是有代价的：必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。
• 临界区 是指访问某一 共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为 原子操作，也就是同时访问同一共享资源的其他线程 不应终断 该片段的执行。
• 线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处于等待状态。

使用多线程实现买票的案例。

• 有3个窗口，一共是100张票。

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <unistd.h>// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。
  int tickets = 100;void * sellticket(void * arg) {// 卖票while(tickets > 0) {usleep(6000);printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);tickets--;}return NULL;
  }int main() { // 主线程// 创建3个子线程pthread_t tid1, tid2, tid3;pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);// 回收子线程的资源,阻塞pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);pthread_join(tid3, NULL);// 或设置线程分离，子线程结束后资源自动回收// pthread_detach(tid1);// pthread_detach(tid2);// pthread_detach(tid3);pthread_exit(NULL); // 退出主线程return 0;// 如果不设置上一步，主线程结束后，子线程也会全结束。
  }
  

3.2.1 互斥量/锁

• 为避免线程更新共享变量时出现问题，可以使用 互斥量（ mutex 是 mutual exclusion 的缩写）来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的 原子访问。

• 互斥量有两种状态： 已锁定（ locked ）和 未锁定 ( unlocked ）。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将可能 阻塞线程 或者 报错失败，具体取决于加锁时使用的方法。

• 一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。一般情况下，对每一共享资源（可能由多个相关变量组成）会使用不同的互斥量，每一线程在访问同一资源时将采用如下协议：

  1. 针对共享资源 锁定互斥量
  2. 访问 共享资源
  3. 对互斥量 解锁

• 如果多个线程试图执行这一块代码（一个临界区），事实上只有一个线程能够持有该 互斥量（其他线程将遭到阻塞），即同时只有一个线程能够进入这段代码区域，如下图所示：

  

• 互斥量相关操作函数

  • 互斥量的类型 pthread_mutex_t

  // 初始化互斥量
  int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);// 释放互斥量的资源
  int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);// 加锁，阻塞的，如果有一个线程加锁了，那么其他的线程只能阻塞等待
  int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);// 尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回。
  int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);   // 非阻塞// 解锁
  int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
  

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

    • 功能：初始化互斥量

    • 参数：

      • mutex ： 需要初始化的互斥量变量
      • attr ： 互斥量相关的属性，NULL

    • restrict : C语言的修饰符，被修饰的指针，不能由另外的一个指针进行操作。

      pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx;
      pthread_mutex_t *mutex1 = mutex; // 错误
      

    解决上面买票的问题

    #include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <unistd.h>// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。
    int tickets = 1000;// 创建一个互斥量
    pthread_mutex_t mutex;void * sellticket(void * arg) {// 卖票while(1) {// 加锁pthread_mutex_lock(&mutex);if(tickets > 0) {usleep(6000);printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);tickets--;}else {// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);break;}// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
    }int main() {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建3个子线程pthread_t tid1, tid2, tid3;pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);// 回收子线程的资源,阻塞pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);pthread_join(tid3, NULL);pthread_exit(NULL); // 退出主线程// 释放互斥量资源pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
    }
    

3.2.2 死锁

• 有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程 加锁 同一组互斥量 时，就有可能发生 死锁。

• 两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种 互相等待 的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

• 死锁的几种场景：

  • 忘记 释放锁
  • 重复 加锁
  • 多线程多锁，抢占锁资源

  

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <unistd.h>// 创建2个互斥量
  pthread_mutex_t mutex1, mutex2;void * workA(void * arg) {pthread_mutex_lock(&mutex1);sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex2);printf("workA....\n");pthread_mutex_unlock(&mutex2);pthread_mutex_unlock(&mutex1);return NULL;
  }void * workB(void * arg) {pthread_mutex_lock(&mutex2);sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex1);printf("workB....\n");pthread_mutex_unlock(&mutex1);pthread_mutex_unlock(&mutex2);return NULL;
  }int main() {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);// 创建2个子线程pthread_t tid1, tid2;pthread_create(&tid1, NULL, workA, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, workB, NULL);// 回收子线程资源pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);// 释放互斥量资源pthread_mutex_destroy(&mutex1);pthread_mutex_destroy(&mutex2);return 0;
  }
  

3.2.3 读写锁

• 当有一个线程已经持有 互斥锁 时，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形，当前持有互斥锁的线程只是要 读访问 共享资源，而同时有其它几个线程也想 读取 这个共享资源，但是由于互斥锁的排它性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读访问共享资源了，但是实际上多个线程同时 读访问 共享资源并不会导致问题。

• 在对数据的读写操作中，更多的是 读操作，写操作较少，例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了 读写锁 来实现。

• 读写锁 的特点：

  • 如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
  • 如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
  • 写是独占的，写的优先级高。

• 读写锁相关操作函数

  • 读写锁 的类型 pthread_rwlock_t

  // 初始化
  int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);// 释放资源
  int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);// 加读锁
  int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
  int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加读锁// 加写锁
  int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
  int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加写锁// 解锁
  int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
  

案例：8个线程 操作 同一个全局变量。

• 3个线程 不定时 写 这个全局变量，5个线程 不定时的 读 这个全局变量

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>// 创建一个共享数据
int num = 1;
// pthread_mutex_t mutex; 	// 定义互斥锁
pthread_rwlock_t rwlock; 	// 定义读写锁void * writeNum(void * arg) {while(1) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);num++;printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(100);}return NULL;
}void * readNum(void * arg) {while(1) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("===read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(100);}return NULL;
}int main() {pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);// 创建3个写线程，5个读线程pthread_t wtids[3], rtids[5];for(int i = 0; i < 3; i++) {pthread_create(&wtids[i], NULL, writeNum, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&rtids[i], NULL, readNum, NULL);}// 设置线程分离for(int i = 0; i < 3; i++) {pthread_detach(wtids[i]);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_detach(rtids[i]);}pthread_exit(NULL); // 主线程退出，子线程继续运行pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
}

3.3 生产者消费者模型

• 生产者消费者模型中的对象：
  1. 生产者（多个）
  2. 消费者（多个）
  3. 容器

当容器中已满，生产者停止生产，并通知消费者消费产品；

当容器中为空，消费者停止消费，并通知生产者生产产品。

• 生产者消费者模型（粗略的版本，先不考虑容器的容量）

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>// 创建一个互斥量
  pthread_mutex_t mutex;struct Node{ // 链表节点int num;struct Node *next;
  };// 头结点
  struct Node * head = NULL;void * producer(void * arg) { // 生产者// 不断的创建新的节点，添加到链表中while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));newNode->next = head;head = newNode;newNode->num = rand() % 1000; // 随机数printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);}return NULL;
  }void * customer(void * arg) { // 消费者while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 保存头结点的指针struct Node * tmp = head;// 判断是否有数据if(head != NULL) {// 有数据head = head->next;printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);} else {// 没有数据pthread_mutex_unlock(&mutex);}}return  NULL;
  }int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程pthread_t ptids[5], ctids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) { // 线程分离pthread_detach(ptids[i]);pthread_detach(ctids[i]);}while(1) {sleep(10);}pthread_mutex_destroy(&mutex); // 线程退出，退出主线程pthread_exit(NULL);return 0;
  }
  

  存在的问题：当没有数据的时候，消费者 没有去通知 生产者生产，从而一直在循环加锁解锁，浪费了资源。

3.3.1 条件变量

条件变量 的类型 pthread_cond_t

• 条件变量 不是锁！
• 某个条件满足以后，可以 引起 / 解除 线程阻塞。

// 初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 释放
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);// 等待，调用了该函数，线程会阻塞。 （当容器为空时，消费者停止消费，等待生产者生产）
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime); // 等待一定时间，调用了这个函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束。// 唤醒一个或者多个等待的线程（发一个信号，告诉消费者可以消费了）
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 广播，唤醒所有的等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

• 生产者消费者模型改进

  #include <stdio.h>
  #include <pthread.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>// 创建一个互斥量
  pthread_mutex_t mutex;
  // 创建条件变量
  pthread_cond_t cond;struct Node{int num;struct Node *next;
  };// 头结点
  struct Node * head = NULL;void * producer(void * arg) {// 不断的创建新的节点，添加到链表中while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));newNode->next = head;head = newNode;newNode->num = rand() % 1000;printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());// 只要生产了一个，就通知消费者消费pthread_cond_signal(&cond);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);}return NULL;
  }void * customer(void * arg) {while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 保存头结点的指针struct Node * tmp = head;// 判断是否有数据if(head != NULL) {// 有数据head = head->next;printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);} else {// 没有数据，需要等待// 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁。pthread_cond_wait(&cond, &mutex); pthread_mutex_unlock(&mutex); }}return  NULL;
  }int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond, NULL);// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程pthread_t ptids[5], ctids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_detach(ptids[i]);pthread_detach(ctids[i]);}while(1) {sleep(10);}pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);pthread_exit(NULL);return 0;
  }
  

3.3.2 信号量/灯

• 和条件变量类似，信号量的类型 sem_t

  • 灯亮：资源可用（每个产品可以比作一个灯）
  • 灯灭：资源不可用

  // 初始化信号量
  int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
  // 释放资源
  int sem_destroy(sem_t *sem);// 对信号量加锁，调用一次对信号量的值-1，如果值为0，就阻塞。（不是立马阻塞）
  int sem_wait(sem_t *sem);		
  int sem_trywait(sem_t *sem);  // 尝试阻塞，如果值为0，就阻塞
  int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout); // 如果为0, 阻塞这么长（abs_timeout）时间// 对信号量解锁，调用一次对信号量的值+1
  int sem_post(sem_t *sem);
  // 获取值
  int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
  

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

    • 初始化信号量
    • 参数：
      • sem : 信号量变量的地址
      • pshared : 0 用在 线程 间 ，非0 用在 进程 间
      • value : 信号量中的值

    查看说明文档：man sem_init

    

    在开发程序时，一般采用 多线程开发，因为多线程比较 轻量。

    /* 伪代码sem_t psem;		 // 生产者的信号量sem_t csem;		 // 消费者的信号量init(psem, 0, 8);init(csem, 0, 0);producer() {sem_wait(&psem);	// -1sem_post(&csem);    // +1，通知消费者，可以消费一个了}customer() {sem_wait(&csem);	// -1sem_post(&psem);    // +1，通知生产者，可以生产一个了}*/#include <stdio.h>
    #include <pthread.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <semaphore.h>// 创建一个互斥量
    pthread_mutex_t mutex;
    // 创建两个信号量
    sem_t psem;     // 生产者的
    sem_t csem;     // 消费者的struct Node{int num;struct Node *next;
    };// 头结点
    struct Node * head = NULL;void * producer(void * arg) {// 不断的创建新的节点，添加到链表中while(1) {sem_wait(&psem);pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));newNode->next = head;head = newNode;newNode->num = rand() % 1000;printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&csem);}return NULL;
    }void * customer(void * arg) {while(1) {sem_wait(&csem);pthread_mutex_lock(&mutex);// 保存头结点的指针struct Node * tmp = head;head = head->next;printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&psem);}return  NULL;
    }int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);sem_init(&psem, 0, 8);sem_init(&csem, 0, 0);// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程pthread_t ptids[5], ctids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_detach(ptids[i]);pthread_detach(ctids[i]);}while(1) {sleep(10);}pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_exit(NULL);return 0;
    }