第四章 Linux多线程开发

提示：欢迎查看本文所属专栏：Linux 网络编程笔记，在这里你可以学习 Linux 命令的基本使用、远程开发 Linux程序、计算机网络基础知识、操作系统基础知识和 Linux 网络编程基础等，这些知识，可以帮助我们很好的入门 Cpp服务器开发 所需的网络编程知识。

4.1 线程概述

• 与进程类似，线程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 OS 资源分配的最小单位，线程是 OS 调度执行的最小单位。
• 线程是轻量级的进程（Light Weight Process, LWP），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

4.1.1 线程和进程的区别

• 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。（第三章中，介绍了匿名管道、有名管道、内存映射和内存共享四种进程间通信方式）。
• 调用fork()来创建进程的代价相对较高，即便利用读时共享、写时拷贝技术，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。只需要将数据复制到共享（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。
• 线程和进程的虚拟地址空间区别，如下图所示，是三个进程的虚拟地址空间，对于每一个进程中的线程，都是共享一个进程的虚拟地址空间。同一进程的不同的线程，都有自己的栈空间和.text段（代码段）。

4.1.2 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
• 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（一般是函数调用，产生的错误号信息）
• 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

4.2 NPTL

• 当 Linux 最初开发时，在内核中并不能真正支持线程。但是可以通过 clone() 系统调用将进程作为可调度的实体。clone() 系统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 项目使用的就是 clone() 系统调用，在用户空间下模拟对线程的支持。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。这项工作由 Red Hat 的开发人员，开展的 NPTL 项目完成。
• NPTL，全称为 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

4.3 线程相关函数

线程相关函数如下

#include<pthread.h>pthread_t pthread_self(void);
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
void pthread_exit(void *retval);
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
int pthread_detach(pthread_t thread);
int pthread_cancel(pthread_t thread);/*TIPS: 在链接包含 pthread 线程库的程序时，记得使用 gcc 命令的 -l 参数，并且指向 pthread 动态库，即 -lpthread
*/

4.3.1 pthread_self(void)和pthread_equal()

/*pthread_t pthread_self(void);函数功能：获取调用线程的线程 ID返回值：线程 IDint pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);函数功能：比较两个线程 ID 是否相等函数参数- t1：比较的第一个线程 ID- t2：比较的第二个线程 ID返回值- 相等：非零的值- 不相等：0TIPS: 不同的 OS，pthread_t 类型的实现不一样，有的是无符号长整数，有的是结构体，所以不能直接使用 == 比较
*/

4.3.2 使用pthread_create()系统调用创建子线程

/*一般情况下，main函数所在的线程，我们称之为主线程，其余创建的线程称之为子线程int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);函数功能：创建一个子线程（Linux中，进程默认对应一个线程，创建子线程的叫做主线程）函数参数- 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- attr：设置线程属性，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：返回0- 失败：返回错误号，这个错误号和之前的 errno 有区别获取错误号的信息：char* strerror(int errnum)
*/
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>  
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>void* my_callback(void* arg) {printf("child pthread...\n");printf("child pthread arg: %d\n", *(int*)arg);// 返回值是void* 类型return NULL;
}int main() {pthread_t tid;int num = 10;// 创建一个子线程int ret = pthread_create(&tid, NULL, my_callback, (void*)&num);// 创建子线程失败，返回一个错误号if (ret != 0) {char* str = strerror(ret);exit(0);}// 主线程执行代码for (int i = 0;i < 5;++i) {printf("%d\n", i);}sleep(1);return 0;
}

4.3.3 使用pthread_exit()终止一个线程的运行

/*void pthread_exit(void *retval);函数功能：终止调用该函数的线程，终止的线程，在同一进程中的其他线程，可以通过 pthread_join(3) 加入函数参数- retval：传出参数，指针类型，作为一个返回值，可以在 pthread_join() 中获取到
*/#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>void* callback(void* arg) {printf("child thread id = %ld\n", pthread_self());return NULL;
}int main(int argc, char* argv[]) {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if (ret != 0) {char* error = strerror(ret);exit(0);}for (int i = 0;i < 5;++i) {printf("%d\n", i);}printf("parent thread id = %ld, child thread id = %ld\n", pthread_self(), tid);// 让主线程退出，主线程退出不会影响其他线程的运行pthread_exit(NULL);printf("parent thread...\n");return 0;
}

4.3.4 使用pthread_join()和一个已经终止的线程进行连接

/*#include <pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);函数功能：和一个已经终止的线程进行连接，回收子线程资源- 该函数是阻塞函数，调用一次只能回收一个子线程- 一般在主线程中使用函数参数- thread：需要回收子线程的 ID- retval：接收子线程退出时的返回值，使用二级指针的原因是，pthread_exit()返回的子线程状态值是一级指针变量，作为传出参数- 需要得到一级指针的地址，才能对栈空间中的一级指针变量进行赋值修改（和使用自定义函数改变main函数中的局部变量原理一致）返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，即错误号
*/#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>int child_thread;
void* callback(void* arg) {printf("child thread id = %ld\n", pthread_self());sleep(2);child_thread = 8;pthread_exit((void*)&child_thread);     // 利用全局变量记录线程函数栈空间的内容//return NULL;    //等价于 pthread_exit(NULL);
}int main(int argc, char* argv[]) {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if (ret != 0) {char* error = strerror(ret);printf("%s\n", error);exit(0);}for (int i = 0;i < 5;++i) {printf("%d\n", i);}printf("parent thread id = %ld, child thread id = %ld\n", pthread_self(), tid);// 回收子线程资源int* ret_value;// 地址传递，才能改变 ret_value 的值int is_join = pthread_join(tid, (void**)&ret_value);if (is_join != 0) {char* error = strerror(is_join);printf("%s\n", error);}printf("recycle child thread success, recycle value = %d\n", *ret_value);// 让主线程退出pthread_exit(NULL);return 0;
}

4.3.5 使用pthread_detach()进行线程分离

/*#include <pthread.h>int pthread_detach(pthread_t thread);函数功能：分离一个线程- 被分离的线程运行结束后，资源会被 OS 自动回收，无需其他线程调用 pthread_join()- 不能通过 pthread_join() 函数去连接一个已经分离的线程函数参数- thread：需要分离的线程 ID返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，错误号
*/
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>void* callback(void* arg) {printf("child thread id = %ld\n", pthread_self());sleep(2);pthread_exit(NULL);     // 利用全局变量记录线程函数栈空间的内容//return NULL;    //等价于 pthread_exit(NULL);
}int main(int argc, char* argv[]) {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if (ret != 0) {char* create_error = strerror(ret);printf("create error: %s\n", create_error);exit(0);}// 输出主线程和子线程的IDprintf("child thread id = %ld, main thread id = %ld\n", tid, pthread_self());// 设置子线程分离，分离后，子线程对应的资源就不需要主线程释放ret = pthread_detach(tid);if (ret != 0) {char* detach_error = strerror(ret);printf("detach error: %s\n", detach_error);}// 对分离的子线程进行连接ret = pthread_join(tid, NULL);if (ret != 0) {char* join_error = strerror(ret);printf("join error: %s\n", join_error);}// 退出主线程pthread_exit(NULL);return 0;
}

4.3.6 使用pthread_cancel()取消线程，让线程终止运行

/*#include <pthread.h>int pthread_cancel(pthread_t thread);函数功能：取消线程（让线程终止运行）- 被指定线程取消的线程，并不会立马终止运行，而是执行到一个 pthread 指定的 cancellation point，线程才会终止- cancellation point：可以理解为系调用（线程进入内核态）函数参数- thread：需要进行线程取消的线程 ID返回值：- 成功：0- 失败：非 0 值，错误号
*/#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>void* callback(void* arg) {for(int i = 0; i < 5; ++i){// 如果主线程执行了 pthread_cancel()，会执行 cancellation point 系统调用，进入 OS 内核态printf("child thread: %d\n",i);}return NULL;    //等价于 pthread_exit(NULL);
}int main(int argc, char* argv[]) {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if (ret != 0) {char* create_error = strerror(ret);printf("create error: %s\n", create_error);exit(0);}// 取消线程pthread_cancel(tid);    // 输出主线程 IDfor(int i=0;i<5;++i){printf("main thread: %d\n",i);}// 退出主线程pthread_exit(NULL);return 0;
}

4.4 线程属性相关函数

线程属性相关函数如下

#include <pthread.h>
// 线程属性类型：pthread_attr_t 
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
// ...还有很多，这里只举例部分 API

4.4.1 线程属性相关函数解析

#include <pthread.h>
/*函数功能：初始化线程属性变量函数参数- attr：传出参数，线程属性变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 错误号
*/
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);/*函数功能：释放线程属性的资源函数参数- attr：传出参数，线程属性变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);/*函数功能：获取线程分离的状态属性函数参数：- attr：线程属性对象- detachstate：存储获取到的线程状态，常见的两种：PTHREAD_CREATE_JOINABLE, PTHREAD_CREATE_DETACHED返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);/*函数功能：设置线程分离的状态属性函数参数- attr：线程属性对象- detachstate：创建线程之前，需要设置的线程分离状态（属于线程的属性之一），常见的两种：PTHREAD_CREATE_JOINABLE, PTHREAD_CREATE_DETACHED返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);

4.4.2 线程属性相关函数使用案例

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>void* callback(void* arg) {printf("child thread id = %ld\n", pthread_self());return NULL;    //等价于 pthread_exit(NULL);
}int main(int argc, char* argv[]) {// 创建一个线程属性变量pthread_attr_t attr;// 初始化线程属性变量pthread_attr_init(&attr);// 设置线程属性pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);// 一般地，在创建线程之前，初始化和设置线程属性pthread_t tid;int ret1 = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);if (ret1 != 0) {char* create_error = strerror(ret1);printf("create error: %s\n", create_error);exit(0);}// 获取子线程栈空间的大小size_t size;int ret2 = pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);if (ret2 != 0) {char* get_stack_attr_error = strerror(ret2);printf("get_stack_attr_error: %s\n", get_stack_attr_error);}else {printf("child thread stack size = %ld\n", (long long)size);}// 获取子线程的线程分离属性int val = 0;int ret3 = pthread_attr_getdetachstate(&attr, &val);if (ret3 != 0) {char* get_detach_attr_error = strerror(ret3);printf("get_detach_attr_error: %s\n", get_detach_attr_error);}else {printf("child thread detach_attr: %d\n", val);}// 释放线程属性资源pthread_attr_destroy(&attr);// 退出主线程pthread_exit(NULL);return 0;
}

4.5 线程同步机制

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。

临界资源和临界区

• 临界资源是指在某一时刻，只允许一个线程访问并且对其进行操作的资源。
• 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，也就是同时访问共享资源的其他线程，不能终止临界区对应代码片段的执行。

线程同步

• 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，处于等待状态。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。
• UNIX OS 提供了多种线程同步机制
  • 互斥量
  • 读写锁
  • 条件变量
  • 信号量

4.6 互斥量

在 UNIX 内核中，使用了互斥量机制解决线程同步问题。

互斥量

• 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）来确保同时只有一个线程可以访问某项共享资源。同时，也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，会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，就成为了该互斥量的所有者，只有互斥量所有者才能给互斥量解锁。一般情况下，对每一个共享资源（可能由多个相关变量组成），会分别使用不同的互斥量，每一个线程在访问同一共享资源的时候，将采用如下协议：
  • 针对共享资源锁定互斥量
  • 访问共享资源
  • 对互斥量解锁

4.6.1 互斥量相关函数

#include<pthread.h>
/*互斥量：顾名思义，就是同一时刻只能有一个线程访问的量互斥量类型：pthread_mutex_t
*//*函数功能：初始化互斥量函数参数- mutex：需要初始化的互斥量对象- mutexattr：初始化的互斥量属性，一般默认使用NULL即可返回值- 只有 0，不管是成功还是失败TIPS- restrict：C语言的关键字（修饰符），被 restrict 修饰的指针所指向的内存，不能被另一个指针操作
*/
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *mutexattr);/*函数功能：释放互斥量资源函数参数- mutex：需要释放的互斥量对象返回值- 成功：0- 失败：返回 EBUSY 错误号，说明当前互斥量已经被上锁，无法释放
*/
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);/*函数功能：加锁，会造成阻塞，如果有一个线程加锁了，那么其他线程只能阻塞等待函数参数- mutex：需要进行加锁操作的互斥量返回值- 成功：0- 失败：返回错误号- EINVAL：mutex 没有被初始化- EDEADLK：mutex 已经被其他线程进行了上锁	
*/
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);/*函数功能：尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回函数参数- mutex：尝试加锁的互斥量返回值- 成功：0- 失败：返回错误号- EINVAL：mutex 没有被初始化- EBUSY：mutex 当前已经被上锁，无法加锁
*/
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);/*函数功能：对互斥量进行解锁函数参数- mutex：需要进行解锁的互斥量返回值- 成功：0- 失败：返回错误号- EINVAL：mutex 没有被初始化- EPERM：调用解锁的线程没有 mutex 互斥量TIPS：加锁和解锁，都是互斥量的一种状态转换
*/
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

4.6.2 互斥量实现多窗口售票（线程同步问题）

首先，我们要知道多窗口售票的基本需求

• 多窗口相当于多线程。
• 票的总数相当于共享资源，并且线程对这个共享资源的访问是原子性的。

多窗口售票实现基本思路

• 在主线程中创建多个子线程
• 初始化共享资源（这里也就是初始化票的总数）
• 在子线程中，使用互斥量，访问共享资源（原子操作，这里也就是访问存储了票总数的变量）

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>// 全局变量（存放在静态存储区），票的总数，相对于多线程，属于共享资源
int tickets = 20;// 创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;void* sell_tickets(void* arg) {while (1) {// 对临界资源的访问加锁pthread_mutex_lock(&mutex);if (tickets > 0) {printf("thread id = %ld, selling tickets num is %d.\n", pthread_self(), 20 - tickets + 1);--tickets;}else {// 访问完毕解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);break;}// 访问完毕解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);// microseconds//usleep(6000);sleep(1);}return NULL;
}int main(int argc, char* argv[]) {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);for (int i = 0;i < 3;++i) {pthread_t tid;// 创建线程属性pthread_attr_t attr;// 初始化和设置线程分离状态pthread_attr_init(&attr);pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);// 创建线程pthread_create(&tid, &attr, sell_tickets, NULL);// 销毁线程属性pthread_attr_destroy(&attr);}// 主线程退出pthread_exit(NULL);// 释放互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

4.7 死锁

死锁的概念，是在多线程访问多个共享资源，而多个共享资源需要多个互斥量的前提下定义的。

• 有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个共享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（也有可能不发生死锁）。
• 两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种相互等待现象，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

4.7.1 死锁案例

从上述对死锁的介绍，死锁出现有三种情况

• 忘记释放锁
• 重复加锁
• 多线程多锁，抢占锁资源

前两种情况比较好理解，这里使用代码实现一下多线程多锁，抢占锁资源的情况（即多个线程访问多个共享资源）。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>// 创建两个共享资源
int share1 = 1;
int share2 = 2;// 创建两个互斥量
pthread_mutex_t mutex1;
pthread_mutex_t mutex2;// 子线程 A 逻辑
void* workA(void* arg) {// 假设该子线程先访问 share1，再访问 share2 共享资源pthread_mutex_lock(&mutex1);printf("share1 = %d\n", share1);sleep(1);   // 阻塞 1s ，防止同时获得两个锁pthread_mutex_lock(&mutex2);printf("share2 = %d\n", share2);// 解锁互斥量pthread_mutex_unlock(&mutex2);pthread_mutex_unlock(&mutex1);// 子线程退出return NULL;
}// 子线程 B 逻辑
void* workB(void* arg) {// 假设该子线程先访问 share2，再访问 share1 共享资源pthread_mutex_lock(&mutex2);printf("share2 = %d\n", share2);sleep(1);   // 阻塞 1s ，防止同时获得两个锁pthread_mutex_lock(&mutex1);printf("share1 = %d\n", share1);// 解锁互斥量pthread_mutex_unlock(&mutex1);pthread_mutex_unlock(&mutex2);// 子线程退出return NULL;
}int main(int argc, char* argv[]) {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);// 创建线程属性pthread_attr_t attr;pthread_attr_init(&attr);// 设置线程属性pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);// 创建两个线程pthread_t tid1, tid2;pthread_create(&tid1, &attr, workA, NULL);pthread_create(&tid2, &attr, workB, NULL);// 释放线程属性pthread_attr_destroy(&attr);// 主线程退出pthread_exit(NULL);// 释放互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex1);pthread_mutex_destroy(&mutex2);return 0;
}

上述程序，就是多线程多锁，抢占锁资源的情况，如下图：

• 对于子线程 A 拿到了 mutex1 锁，而当想要再次去拿 mutex2 锁的时候，mutex2 锁已经被子线程 B 拿到，所以子线程 A 被阻塞。
• 同理，对于子线程 B 拿到了 mutex2 锁，而当想要再次去拿 mutex1 锁的时候，mutex2 锁已经被子线程 A 拿到，所以子线程 B 也被阻塞。

两个阻塞的子线程，若无外力作用，都将无法执行后续的逻辑代码。

4.8 读写锁

• 当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（共享资源）的线程都阻塞。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这个共享资源，但是由于互斥锁的排他性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读访问共享资源了。实际上，多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。
• 对数据的读写操作中，更多的是读操作，写操作较少，例如对数据库的读写应用。为了满足多线程可以同时读共享资源（不互斥），但只允许一个线程写共享资源（互斥），UNIX 提供了读写锁来实现。
• 读写锁的特点：
  • 如果有其它线程读共享资源，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
  • 如果有其它线程写共享资源，则其它线程不允许读、写操作。
  • 写是独占的（原子性，不允许中断），写的优先级高。

4.8.1 读写锁相关函数

#include <pthread.h>
// 读写锁类型：pthread_rwlock_t/*函数功能：初始化一个读写锁函数参数- rwlock：指针变量，指向需要初始化的读写锁变量- attr：初始化读写锁的属性，NULL即可，表示默认初始化返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到
*/
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);/*函数功能：释放读写锁资源函数参数- rwlock：指针变量，指向需要释放的读写锁变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到
*/
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);/*函数功能：获取读写锁的读锁，允许多个线程同时读共享资源，阻塞写共享资源- 如果有线程在对共享资源进行写操作，那么该函数还是会阻塞函数参数- rwlock：指针变量，指向需要获取读锁的读写锁变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到
*/
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);/*函数功能：尝试获取读写锁的读锁- 与 pthread_rwlock_rdlock() 不同的是，当读写锁的读锁不可用的时候，该函数不会阻塞，而是立即返回函数参数- rwlock：指针变量，指向需要尝试获取读锁的读写锁变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到
*/
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);/*函数功能：获取读写锁的写锁，不允许其它线程对共享资源进行读、写- 如果有线程在对共享资源进行读或者写，该函数会阻塞函数参数- rwlock：指针变量，指向需要获取写锁的读写锁变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到
*/
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);/*函数功能：尝试获取读写锁的写锁，不允许其它线程对共享资源进行读、写- 与 pthread_rwlock_wrlock() 不同的是，当读写锁的写锁不可用的时候，该函数不会阻塞，而是立即返回函数参数- rwlock：指针变量，指向需要获取写锁的读写锁变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到
*/
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);/*函数功能：对读写锁进行解锁函数参数- rwlock：指针变量，指向需要解锁的读写锁变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 值，表示错误号，可以通过 strerror() 得到		
*/
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

4.8.2 读写锁案例

读写锁案例：创建八个线程，操作同一个全局变量（共享资源）。

• 3 个线程写全局变量。
• 8 个线程读全局变量。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>// 全局变量（共享资源）
int global_variable = 100;// 定义读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;// 读全局变量子线程
void* read_global(void* arg) {sleep(1);// 获得读写锁的读锁，阻塞写共享资源的线程pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("read global variable = %d.\n", global_variable);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);return NULL;
}// 写全局变量子线程
void* write_global(void* arg) {// 获得读写锁的写锁，阻塞读写共享资源的线程pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);++global_variable;printf("write global variable = %d.\n", global_variable);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);return NULL;
}int main(int argc, char* argv[]) {// 初始化读写锁pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);// 初始化线程属性pthread_attr_t attr;pthread_attr_init(&attr);// 设置线程分离pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);// 创建三个读全局变量子线程for (int i = 0;i < 3;++i) {pthread_t tid;pthread_create(&tid, &attr, read_global, NULL);}// 创建五个写全局变量子线程for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_t tid;pthread_create(&tid, &attr, write_global, NULL);}// 主线程退出pthread_exit(NULL);// 释放读写锁资源pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
}

4.9 生产者消费者模型

使用互斥量，实现粗略版的生产者消费者模型

操作对象

• 生产者
• 容器（可以选择是否限制容量）
  • 不限制容量，使用链表实现容器，互斥量限制生产和消费的原子性
  • 限制容器，在 4.10 节信号量中实现
• 消费者

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>// 链表作为容器
typedef struct Node {int data;struct Node* next;
}Node;// 创建头节点
Node* create_head() {Node* head = (Node*)malloc(sizeof(Node));head->data = -1;head->next = NULL;return head;
}// 链表容器，全局变量（共享资源）
Node* head = NULL;// 创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;void* producer(void* arg) {// 生产者不断的创建新的节点，添加到链表中while (1) {sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex);Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));new_node->data = random() % 1000;new_node->next = head->next;head->next = new_node;printf("producer p_tid = %ld, adding node num = %d\n", pthread_self(), new_node->data);pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {// 消费者不断从链表头部取节点while (1) {sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex);if (head->next != NULL) {Node* tmp = head->next;head->next = head->next->next;printf("consumer c_tid = %ld, deleting node num = %d\n", pthread_self(), tmp->data);free(tmp);}pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}int main() {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 初始化链表头节点head = create_head();// 创建5个生产者线程，5个消费者线程pthread_t p_tids[5], c_tids[5];for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_create(p_tids + i, NULL, producer, NULL);pthread_create(c_tids + i, NULL, consumer, NULL);}// 线程分离for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_detach(p_tids[i]);pthread_detach(c_tids[i]);}// 保证主线程不退出while (1) {sleep(10);}// 释放互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_exit(NULL);return 0;
}

4.10 条件变量

在 4.8 节中实现的生产者消费者模型，存在一定的问题：

• 对于消费者线程（即void* consumer(void* arg)函数），如果链表中没有数据，程序也会一直执行下去，不断地执行while(1){}循环，造成 CPU资源的浪费。

针对 4.8 节出现的 CPU 资源浪费，UNIX 内核中，提供了条件变量来解决。

• 条件变量不是锁，主要用途是基于条件阻塞和唤醒线程，结合互斥量使用。

4.10.1 条件变量相关函数

// 条件变量的类型：pthread_cond_t/*函数功能：初始化条件变量函数参数- cond：指针，指向需要进行初始化的条件变量- cond_attr：指针，指向条件变量初始化的属性对象，默认NULL即可返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);/*函数功能：唤醒一个或多个阻塞等待的线程函数参数- cond：指针，指向条件变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);/*函数功能：唤醒所有阻塞等待的线程函数参数- cond：指针，指向条件变量返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);/*函数功能：阻塞，调用该函数的线程会阻塞，但是会将互斥量 mutex 的状态设置为 unlock，其他线程可以获得互斥量函数参数- cond：指针，指向条件变量- mutex：互斥量对象返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);/*函数功能：线程阻塞指定的时间，调用该函数的线程，会阻塞，直到指定的时间结束函数参数- cond：指针，指向条件变量- mutex：互斥量- abstime：设置线程阻塞的指定时间返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime);/*函数功能：释放条件变量资源函数参数- cond：需要释放的条件变量对象返回值- 成功：0- 失败：非 0 的错误号
*/
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

4.10.2 基于条件变量，优化生产者消费者模型

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>// 定义条件变量
pthread_cond_t condition;// 定义互斥量
pthread_mutex_t mutex;// 定义共享资源，链表头部添加删除节点
typedef struct LinkNode {int data;struct LinkNode* next;
}LinkNode, LinkList;LinkList* head = NULL;// 创建链表，初始化头节点
void createLinkList() {head = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode));head->data = -1;head->next = NULL;
}// 消费者子线程
void* consumer(void* arg) {// 消费者线程不断从链表头部取节点while (1) {sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex);if (head->next != NULL) {LinkNode* tmp = head->next;head->next = tmp->next;printf("consumer thread, LinkNode data = %d\n", tmp->data);free(tmp);}else {// 链表中没有节点，使用条件变量阻塞消费者进程，并且释放互斥量的锁，避免 CPU 资源的浪费// 执行该函数的线程，会使互斥量解锁，相当于执行 pthread_mutex_unlock() 操作，被唤醒后，又会对互斥量上锁pthread_cond_wait(&condition, &mutex);}pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}// 生产者子线程
void* producer(void* arg) {// 生产者不断从链表头部插入节点while (1) {sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex);LinkNode* tmp = (LinkNode*)malloc(sizeof(LinkNode));tmp->data = rand() % 1000;tmp->next = head->next;head->next = tmp;printf("producer thread, LinkNode data = %d\n", tmp->data);// 生产了链表节点，可以唤醒消费者进程pthread_cond_signal(&condition);pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL;
}int main(int argc, char* argv[]) {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 初始化条件变量pthread_cond_init(&condition, NULL);// 初始化共享资源createLinkList();// 创建5个消费者线程和5个生产者线程pthread_t c_tid[5], p_tid[5];for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_create(p_tid + i, NULL, producer, NULL);pthread_create(c_tid + i, NULL, consumer, NULL);}// 设置线程分离for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_detach(p_tid[i]);pthread_detach(c_tid[i]);}// 主线程不退出while (1) {sleep(1);}// 释放互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);// 释放条件变量pthread_cond_destroy(&condition);return 0;
}

4.11 信号量

在 OS 中，信号量机制也是实现线程同步的一种方式，与互斥量不同的是，信号量可以管理多个线程间，同步访问多个共享资源。而互斥量，是管理多个线程间，同步访问一个共享资源。

我们假设信号量初始值$sem=y$，表示共享资源量为 $y$（信号量的初始值不可能大于共享资源的个数）。此时，$sem$ 的取值有三种情况，代表着共享资源的三种状态：

• $sem<0$，表示此时 $y$ 个共享资源都被 $y$ 个线程占用着，且有 $|sem|$ 个线程因为需要访问该共享资源被阻塞。
• $sem=0$，表示此时 $y$ 个共享资源刚好被 $y$ 个线程占用着，而且没有线程因为需要访问共享资源被阻塞。
• $sem>0$，表示此时 $y$ 个共享资源还剩下 $sem$ 个，即有 $y-sem$ 个线程正在占用共享资源。

线程在对共享资源进行访问时，$sem$ 值的变化有两种情况：

• 线程访问共享资源，信号量的值 $sem$ 减 1。
• 线程释放共享资源，信号量的值 $sem$ 加 1。

4.11.1 信号量相关函数

UNIX OS 中，提供了信号量相关的操作函数

#include <semaphore.h>
// 信号量的类型：sem_t/*函数功能：初始化信号量函数参数- sem：需要初始化的信号量对象- pshared：赋值为 0，表示线程之间的信号量，赋值为非 0，表示进程之间的信号量- value：信号量的值，可以理解为资源的个数返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置错误号
*/
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);/*函数功能：申请一个信号量资源，对信号量加锁，并且进行减一操作，如果 sem->value <= 0，调用该函数的线程阻塞函数参数- sem：信号量资源对象返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置错误号，信号量对象 sem 的 value 值不改变
*/
int sem_wait(sem_t *sem);/*函数功能：和 sem_wait() 一样，申请一个信号量资源，不同的是，如果 sem->value <= 0，不会阻塞线程，直接返回 EAGAIN 错误号函数参数- sem：信号量资源对象返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置相应的错误号，信号量对象 sem 的 value 值不改变
*/
int sem_trywait(sem_t *sem);/*函数功能：和 sem_wait() 一样，申请一个信号量资源，不同的是，如果 sem->value <= 0，阻塞线程，并且 abs_timeout 指定阻塞的时间- 如果在 abs_timeout 指定的时间内，sem->value 的值还是 <=0，结束线程阻塞，返回 ETIMEDOUT 错误号- 如果在 abs_timeout 指定的时间内，sem->value 的值 >0，进行信号量资源减一函数参数- sem：信号量资源对象- abs_timeout：指定线程能够接受最大的阻塞时间返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置相应的错误号，信号量对象 sem 的 value 值不改变
*/
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);/*函数功能：释放一个信号量资源，对信号量解锁，并且进行加一操作，对因为调用 sem_wait() 阻塞的线程进行唤醒函数参数- sem：信号量资源对象返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置错误号，信号量对象 sem 的 value 值不改变
*/
int sem_post(sem_t *sem);/*函数功能：获取信号量对象的 value 值，赋值给 sval- 如果存在因为 sem 对象阻塞的线程，POSIX.1 允许 sval 的值有两种情况，可以是 0，也可以是 value 的绝对值（value 为负数时，说明存在阻塞进程）函数参数- sem：信号量对象- sval：接收 sem->value 的值返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置错误号 EINVAL，表示无效的 sem
*/
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);/*函数功能：释放信号量资源函数参数- sem：需要释放的信号量对象返回值- 成功：0- 失败：-1，并且设置错误号
*/
int sem_destroy(sem_t *sem);

4.11.2 信号量实现生产者消费者模型

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#include<semaphore.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>typedef struct Node {int data;struct Node* next;
}Node;// 创建头节点
Node* create_head() {Node* head = (Node*)malloc(sizeof(Node));head->data = -1;head->next = NULL;return head;
}
Node* head = NULL;// 创建互斥量，保证线程数据安全（线程同步，保证同一时刻，只能有一个线程操作链表）
pthread_mutex_t mutex;// 创建生产者和消费者信号量
sem_t producer_sem;
sem_t consumer_sem;void* producer(void* arg) {// 生产者不断的创建新的节点，添加到链表中while (1) {usleep(1000);// 这里要注意，是先拿信号量，还是先拿互斥量，顺序不对，会造成死锁sem_wait(&producer_sem);        // 消耗一个生产者信号量pthread_mutex_lock(&mutex);Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));new_node->data = rand() % 1000;new_node->next = head->next;head->next = new_node;printf("producer p_tid = %ld, adding node num = %d\n", pthread_self(), new_node->data);pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&consumer_sem);    // 生成一个消费者信号量}return NULL;
}void* consumer(void* arg) {// 消费者不断从链表头部取节点while (1) {usleep(1000);sem_wait(&consumer_sem);    // 消耗一个消费者信号量pthread_mutex_lock(&mutex);Node* tmp = head->next;head->next = tmp->next;printf("consumer c_tid = %ld, deleting node num = %d\n", pthread_self(), tmp->data);free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&producer_sem);    // 生成一个生产者信号量}return NULL;
}int main() {// 初始化链表头节点head = create_head();// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 初始化生产者消费者信号量sem_init(&producer_sem, 0, 8);      // 生产者信号量的 value 值，决定了容器的上限sem_init(&consumer_sem, 0, 0);// 创建5个生产者线程，5个消费者线程pthread_t p_tids[5], c_tids[5];for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_create(p_tids + i, NULL, producer, NULL);pthread_create(c_tids + i, NULL, consumer, NULL);}// 线程分离for (int i = 0;i < 5;++i) {pthread_detach(p_tids[i]);pthread_detach(c_tids[i]);}// 保证主线程不退出while (1) {sleep(10);}// 释放互斥量pthread_mutex_destroy(&mutex);// 释放信号量sem_destroy(&producer_sem);sem_destroy(&consumer_sem);pthread_exit(NULL);return 0;
}

4.12 一些小的知识点补充

4.12.1 关于 Linux 开发环境问题

在VSCode的 linux 开发环境下，进行进程、多线程开发的时候，一些系统调用或者定义比如mq_timedsend()，pthread_rwlock_t等，编辑器无法解析出来，经常会出现无法跳转函数定义、飘红等，除了没有 include 相关的头文件之外，很可能是没有进行宏定义导致的 VSCode 解析器无法识别，解决方案如下：

• 打开 c_cpp_properties.json 文件，在 "defines" 字段中加入 _POSIX_C_SOURCE=200809L。

4.12.2 关于 Linux 开发程序错误问题

在Linux中，运行可执行文件出现的错误，可以通过如下指令，查看错误的详细信息，主要原理是基于core文件和gdb调试工具。

# 第一步，设置 core file size 为 unlimited
ulimit -c unlimited
# 第二步，通过如下指令查看设置是否成功
ulimit -a
# 第三步，通过 gcc 编译生成可调式的文件
gcc demo.c -o demo -g
# 第四步，运行 demo 可执行文件
./demo
# 第五步，生成core文件，使用 gdb 命令
gdb core
# 第六步，进入 gdb 工具界面后，使用如下指令
core-file core
#生成相应的详细错误信息