为什么要线程同步？
线程间有很多共享资源，都对一个共享数据读写操作，线程操作共享资源的先后顺序不确定，可能会造成数据的冲突看一个例子
两个线程屏行对全局变量count++ (采用一个val值作为中间变量，模拟寄存器工作方式，后面会详解)
#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#define NLOOP 5000 //循环次数int count = 0;//全局资源void* func(void* p){int i,val;for (i = 0; i < NLOOP; i++){val = count;printf("count = %dn",val+1);count = val + 1;usleep(100);//减缓线程执行速度，增加资源冲突概率}return NULL;}int main(){pthread_t tidA, tidB;pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//线程A 对count++pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//线程B 对count++sleep(1);pthread_join(tidA, NULL);pthread_join(tidB, NULL);return 0;}
第一次执行结果
第二次执行结果
第三次执行结果
一段代码执行三次出现不同的结果，这是为什么？就是因为两个线程同时对共享资源进行操作，导致CPU处理共享资源出现错误
寄存器处理数据+1操作一般分为三步
从内存读变量值到寄存器寄存器的值加1将寄存器的值写回内存
假设变量值为5那么CPU执行线程A，将变量读到寄存器中，寄存器的值+1（正在加，此时值还为5），同时线程B将变量从内存中读走（值也为5），线程A将寄存器值写回变量（此时值为6），之后线程B处理完写回变量（此时值还是为6）
那么怎么解决这种情况发生？
一、互斥量
互斥量是pthread_mutex_t类型的变量。互斥量有两种状态：lock（上锁）、unlock（解锁）当对一个互斥量加锁后，其他任何试图访问互斥量的线程都会被堵塞，直到当前线程释放互斥锁上的锁。如果释放互斥量上的锁后，有多个堵塞线程，这些线程只能按一定的顺序得到互斥量的访问权限，完成对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁，否则其他线程将一直处于阻塞状态。简单理解为：超市中的储存柜，当有人使用储存柜后，其他人使用不了，只能等待使用者使用完，再使用
互斥量操作原理
创建锁可以通过直接定义锁，或者调用初始化锁函数，二选一#include <pthread.h>//pthread_mutex_t是锁类型，用来定义互斥锁pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥锁的初始化//restrict，C语言中的一种类型限定符，用于告诉编译器，对象已经被指针所引用，不能通过除该指针外所有其他直接或间接的方式修改该对象的内容。 第二个参数一般为NULLint pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);//上锁int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);//判断是否上锁//返回值：0表示已上锁，非0表示未上锁。int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);//解锁 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//销毁互斥锁int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
对之前的例子加上互斥量
#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#define NLOOP 5000 //循环次数int count = 0;//全局资源pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//定义锁void* func(void* p){int i, val;for (i = 0; i < NLOOP; i++){pthread_mutex_lock(&counter_mutex);//上锁val = count;printf("count = %dn", val + 1);count = val + 1;pthread_mutex_unlock(&counter_mutex);//解锁usleep(100);//减缓线程执行速度，增加资源冲突概率}return NULL;}int main(){pthread_t tidA, tidB;pthread_create(&tidA, NULL, &func, NULL);//线程A 对count++pthread_create(&tidB, NULL, &func, NULL);//线程B 对count++sleep(1);pthread_join(tidA, NULL);pthread_join(tidB, NULL);return 0;}
不管怎么执行，结果都是10000次
死锁的情况
同一个线程已拥有A锁的情况下，再次请求获取A锁，导致线程阻塞解决方法：使用完资源后立刻解锁线程一拥有A锁，再次请求获取B锁，同时线程二拥有B锁，请求获取A锁，导致线程阻塞
解决方法：当拥有锁的情况下，请求获取另外一把锁失败时，释放已拥有的锁
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二、条件变量
条件变量就是一个变量，用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。条件变量是用来等待事件通常条件下变量和互斥锁同时使用。条件变量操作原语
#include <pthread.h>//全局定义条件变量pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;//初始化条件变量//cond参数为条件变量指针，通过该函数实现条件变量赋初值；cond_attr参数通常为NULLintpthread_cond_init(pthread_cond_t*cond,pthread_condattr_t*cond_attr); //销毁条件变量intpthread_cond_destroy(pthread_cond_t*cond);//自动释放mutex锁，等待条件满足//这个函数的过程我们必须了解，首先对互斥锁进行解锁；然后自身堵塞等待；当等待条件达成，注意这时候函数并未返回，而是重新获得锁并返回。intpthread_cond_wait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex_t*mutex);//自动释放mutex锁，等待条件满足，如果在abstime时间内还没有满足，则返回错误intpthread_cond_timewait(pthread_cond_t*cond,pthread_mutex*mutex,consttimespec*abstime);//让等待条件满足的线程中某一个被唤醒intpthread_cond_signal(pthread_cond_t*cond);//让等待条件满足的线程中全部被唤醒 (广播)intpthread_cond_broadcast(pthread_cond_t*cond);
生产者消费模型
流程首先消费者需要访问共享资源首先要去拿到锁访问条件变量，条件变量说现在还没有资源，所以消费者释放锁，阻塞等待，直到生产者生产出资源后，将资源先放到公共区后，再告诉条件变量，现在有资源了，然后条件变量再去唤醒阻塞线程，这些阻塞的线程被唤醒后需要去争抢锁，先拿到锁的线程优先访问共享资源
实例
#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <stdio.h>typedef struct msg {struct msg *next;int num;}MSG_T;MSG_T *head;//消息头结点pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;//互斥锁//pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER; //条件变量 本文通过init定义条件变量pthread_cond_t mycond;//生产者void *producer(void *p){MSG_T* mp;for (;;) {mp = malloc( sizeof(MSG_T) );mp->num = rand() % 1000 + 1;//生成随机数1到1000printf("Produce %dn", mp->num);//将资源放入公共区pthread_mutex_lock(&lock);mp->next = head;head = mp;pthread_mutex_unlock(&lock);//通知条件变量唤醒线程pthread_cond_signal(&mycond);sleep(rand() % 5);}}//消费者void *consumer(void *p){MSG_T* mp;for (;;) {pthread_mutex_lock(&lock);//上锁while (head == NULL)//当没有数据时，wait阻塞等待pthread_cond_wait(&mycond, &lock);//当没有拿到锁的时候 释放锁并等待mp = head;head = mp->next;pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁printf("Consume %dn", mp->num);free(mp);sleep(rand() % 5);}}int main(int argc, char *argv[]){pthread_t pid, cid;if (pthread_cond_init(&mycond, NULL) != 0){printf("cond error'n");exit(1);}srand(time(NULL));//加入随机因子pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);pthread_join(pid, NULL);pthread_join(cid, NULL);return 0;}
运行结果
三、信号量
信号量分为有名信号量和无名信号量，这里主要介绍无名信号量，用于线程同步，有名信号量一般是用于进程之间管理。信号量本质上是一个非负的整数计数器，它被用来控制对公共资源的访问，也被称为PV原子操作P操作，即信号量sem减一的过程，如果sem小于等于0，P操作被堵塞，直到sem变量大于0为止。P操作及加锁过程。V操作，即信号量sem加一的过程。V操作及解锁过程。简单理解：假设现在有五把钥匙，当有人拿走一把后（P操作），就剩4把钥匙，直到钥匙被拿完，后面的人需要等待，直到使用者将钥匙归还（V操作）
信号量操作原理
#include <semaphore.h>//初始化//sem: 要进行初始化的信号量对象//pshared：控制着信号量的类型，如果值为0，表示它是当前进程的局部信号量；否则，其他进程就能够共享这个信号量//value：赋给信号量对象的一个整数类型的初始值调用成功时 返回 0；int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned value);//p操作 -1int sem_wait(sem_t *sem);//v操作 +1int sem_post(sem_t *sem);//销毁信号量int sem_destory(sem_t *sem);
信号量的生产消费者模型
#include <stdlib.h>#include <pthread.h>#include <stdio.h>#include <semaphore.h>#define NUM 5int queue[NUM];//定义一个环形队列sem_t blank_number, product_number;//定义两个信号量//生产者void *producer(void *arg){int p = 0;while (1) {sem_wait(&blank_number);//信号量blank_number--，可以比喻成盘子（最多5个盘子）盘子数量-1，queue[p] = rand() % 1000 + 1;//产生随机数printf("Produce %dn", queue[p]);sem_post(&product_number);//信号量product_number++ ，比喻成菜，现在菜的数量+1 消费者可以使用p = (p + 1) % NUM;//队列下标偏移sleep(rand() % 5);}}//消费者void *consumer(void *arg){int c = 0;while (1) {sem_wait(&product_number);//信号量product_number--，现在菜的数量-1printf("Consume %dn", queue[c]);queue[c] = 0;//清空当前下标队列sem_post(&blank_number);//信号量 blank_number++，资源使用完了 盘子数量+1c = (c + 1) % NUM;//队列下标偏移sleep(rand() % 5);}}int main(int argc, char *argv[]){pthread_t pid, cid;sem_init(&blank_number, 0, NUM);//值为5sem_init(&product_number, 0, 0);//初始值为0pthread_create(&pid, NULL, producer, 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;}
运行结果
原文链接：Linux线程同步(互斥量、信号量、条件变量、生产消费者模型)_赵小厨的博客-CSDN博客_互斥量条件变量信号量
