linux下的多线程/多进程同步/通信机制

一. 进程间通信

linux下进程间通信的几种主要手段：    
   1.管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；    
   2.信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期 信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上， 该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，sigaction函数重新实现了signal函数）；    
   3.报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
   4.共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针其他通信机制运行效率较低设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用， 来达到进程间的同步及互斥。   
   5.信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。             
   6.套接字（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix 系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

用于进程间通讯(IPC)的四种不同技术: 

1. 消息传递(管道,FIFO,posix和system v消息队列) 

2. 同步(互斥锁,条件变量,读写锁,文件和记录锁,Posix和System V信号灯) 

3. 共享内存区(匿名共享内存区,有名Posix共享内存区,有名System V共享内存区) 

4. 过程调用(Solaris门,Sun RPC) 

消息队列和过程调用往往单独使用,也就是说它们通常提供了自己的同步机制.相反,共享内存区通常需要由应用程序提供的某种同步形式才能正常工作.解决某个特定问题应使用哪种IPC不存在简单的判定,应该逐渐熟悉各种IPC形式提供的机制,然后根据特定应用的要求比较它们的特性. 

必须考虑的四个前提: 

1. 联网的还是非联网的.IPC适用于单台主机上的进程或线程间的.如果应用程序有可能分布到多台主机上,那就要考虑使用套接字代替IPC,从而简化以后向联网的应用程序转移的工作. 

2. 可移植性. 

3. 性能,在具体的开发环境下运行测试程序,比较几种IPC的性能差异. 

4. 实时调度.如果需要这一特性,而且所用的系统也支持posix实时调度选项,那就考虑使用Posix的消息传递和同步函数. 

各种IPC之间的一些主要差异: 

1. 管道和FIFO是字节流,没有消息边界.Posix消息和System V消息则有从发送者向接受者维护的记录边界(eg:TCP是没有记录边界的字节流,UDP则提供具有记录边界的消息). 

2. 当有一个消息放置到一个空队列中时,Posix消息队列可向一个进程发送一个信号,或者启动一个新的线程.System V则不提供类似的通知形式. 

3. 管道和FIFO的数据字节是先进先出的.Posix消息和System V消息具有由发送者赋予的优先级.从一个Posix消息队列读出时,首先返回的总是优先级最高的消息.从一个System V消息队列读出时,读出者可以要求想要的任意优先级的消息. 

4. 在众多的消息传递技术—管道,FIFO,Posix消息队列和System V消息队列—中,可从一个信号处理程序中调用的函数只有read和write(适用于管道和FIFO). 

1.无名管道简单方便．但局限于单向通信的工作方式．并且只能在创建它的进程及其子孙进程之间实现管道的共享：有名管道虽然可以提供给任意关系的进程使用．但是由于其长期存在于系统之中，使用不当容易出错。

2.消息缓冲可以不再局限于父子进程．而允许任意进程通过共享消息队列来实现进程间通信．并由系统调用函数来实现消息发送和接收之间的同步．从而使得用户在使用消息缓冲进行通信时不再需要考虑同步问题．使用方便，但是信息的复制需要额外消耗CPU的时间．不适宜于信息量大或操作频繁的场合。

3.共享内存针对消息缓冲的缺点改而利用内存缓冲区直接交换信息，无须复制，快捷、信息量大是其优点。但是共享内存的通信方式是通过将共享的内存缓冲区直接附加到进程的虚拟地址空间中来实现的．因此，这些进程之间的读写操作的同步问题操作系统无法实现。必须由各进程利用其他同步工具解决。另外，由于内存实体存在于计算机系统中．所以只能由处于同一个计算机系统中的诸进程共享。不方便网络通信。

二、线程同步机制

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

一、互斥锁(mutex)

通过锁机制实现线程间的同步。

1. 初始化锁。

在Linux下，线程的互斥量数据类型是pthread_mutex_t。在使用前,要对它进行初始化。

静态分配：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

动态分配：int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutex_attr_t *mutexattr);

2. 加锁。

对共享资源的访问，要对互斥量进行加锁，如果互斥量已经上了锁，调用线程会阻塞，直到互斥量被解锁。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex);

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

3. 解锁。在完成了对共享资源的访问后，要对互斥量进行解锁。

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

4. 销毁锁。锁在是使用完成后，需要进行销毁以释放资源。

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex);

二、条件变量(cond)

条件变量用来自动阻塞一个线程，直到某特殊情况发生为止。通常条件变量和互斥锁同时使用。条件变量分为两部分: 条件和变量。条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前先要锁住互斥量。条件变量使我们可以睡眠等待某种条件出现。条件变量是利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制，主要包括两个动作：一个线程等待"条件变量的条件成立"而挂起；另一个线程使"条件成立"（给出条件成立信号）。

条件的检测是在互斥锁的保护下进行的。如果一个条件为假，一个线程自动阻塞，并释放等待状态改变的互斥锁。如果另一个线程改变了条件，它发信号给关联的条件变量，唤醒一个或多个等待它的线程，重新获得互斥锁，重新评价条件。如果两进程共享可读写的内存，条件变量可以被用来实现这两进程间的线程同步。

1. 初始化条件变量。

静态态初始化，pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIER;
动态初始化，int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, pthread_condattr_t *cond_attr);

2. 等待条件成立。释放锁,同时阻塞等待条件变量为真才行。timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime);

3. 激活条件变量。pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast（激活所有等待线程）

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //解除所有线程的阻塞

4. 清除条件变量。无线程等待,否则返回EBUSY

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

使用示例：

while (1)  
    {  
        //这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性  
        pthread_mutex_lock(&mtx);  
        while (head == NULL)  
        {  
            //这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何  
            //这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线  
            //程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。  
            //这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait  
            // pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，  
            //然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒(大多数情况下是等待的条件成立  
            //而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx);，再读取资源  
            //用这个流程是比较清楚的  
            pthread_cond_wait(&cond, &mtx);  
            p = head;  
            head = head->n_next;  
            printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number);  
            free(p);  
        }  
        pthread_mutex_unlock(&mtx); //临界区数据操作完毕，释放互斥锁  
    }  

三、信号量(sem)

如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

1. 信号量初始化。

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

这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项(linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量)，然后给它一个初始值VALUE。

2. 等待信号量。给信号量减1，然后等待直到信号量的值大于0。

int sem_wait(sem_t *sem);

3. 释放信号量。信号量值加1。并通知其他等待线程。

int sem_post(sem_t *sem);

4. 销毁信号量。我们用完信号量后都它进行清理。归还占有的一切资源。

int sem_destroy(sem_t *sem);

四、读写锁

读写锁与互斥量的功能类似，对临界区的共享资源进行保护！互斥量一次只让一个线程进入临界区，读写锁比它有更高的并行性。读写锁有以下特点：

1.如果一个线程用读锁锁定了临界区，那么其他线程也可以用读锁来进入临界区，这样就可以多个线程并行操作。但这个时候，如果再进行写锁加锁就会发生阻塞，写锁请求阻塞后，后面如果继续有读锁来请求，这些后来的读锁都会被阻塞！这样避免了读锁长期占用资源，防止写锁饥饿！

2.如果一个线程用写锁锁住了临界区，那么其他线程不管是读锁还是写锁都会发生阻塞！

宏常量初始化

pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;

函数初始化

#include 
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

rwlock：读写锁的pthread_rwlock_t结构指针

attr：读写锁的属性结构指针。不需要别的属性默认为NULL。

读写锁加锁与解锁

#include 
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

#include 
#include 
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

int pthread_rwlock_timedrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict abs_timeout);
int pthread_rwlock_timedwrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const struct timespec *restrict abs_timeout);

try类函数加锁：如果获取不到锁，会立即返回错误EBUSY！

timed类函数加锁：如果规定的时间内获取不到锁，会返回ETIMEDOUT错误

销毁读写锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

五、自旋锁

自旋锁与互斥量功能一样，唯一一点不同的就是互斥量阻塞后休眠让出cpu，而 自旋锁阻塞后不会让出cpu，会一直忙等待，直到得到锁！！！

自旋锁在用户态使用的比较少，在内核使用的比较多！自旋锁的使用场景：锁的持有时间比较短，或者说 小于2次上下文切换的时间。

自旋锁在用户态的函数接口和互斥量一样，把pthread_mutex_xxx()中mutex换成spin，如：pthread_spin_init()。

六、屏障

barrier(屏障)与互斥量，读写锁，自旋锁不同，它不是用来保护临界区的。相反，它跟条件变量一样，是用来协同多线程一起工作！！！

条件变量是多线程间传递状态的改变来达到协同工作的效果。屏障是多线程各自做自己的工作，如果某一线程完成了工作，就等待在屏障那里，直到其他线程的工作都完成了，再一起做别的事。举个通俗的例子：

1.对于条件变量。在接力赛跑里，1号队员开始跑的时候，2，3，4号队员都站着不动，直到1号队员跑完一圈，把接力棒给2号队员，2号队员收到接力棒后就可以跑了，跑完再给3号队员。这里这个接力棒就相当于条件变量，条件满足后就可以由下一个队员(线程)跑。

2.对于屏障。在百米赛跑里，比赛没开始之前，每个运动员都在赛场上自由活动，有的热身，有的喝水，有的跟教练谈论。比赛快开始时，准备完毕的运动员就预备在起跑线上，如果有个运动员还没准备完(除去特殊情况)，他们就一直等，直到运动员都在起跑线上，裁判喊口号后再开始跑。这里的起跑线就是屏障，做完准备工作的运动员都等在起跑线，直到其他运动员也把准备工作做完！

创建屏障

#include 
int pthread_barrier_init(pthread_barrier_t *restrict barrier, const pthread_barrierattr_t *restrict attr, unsigned count);

barrier：pthread_barrier_t结构体指针

attr：屏障属性结构体指针

count：屏障等待的线程数目，即要count个线程都到达屏障时，屏障才解除，线程就可以继续执行

等待

#include 
 int pthread_barrier_wait(pthread_barrier_t *barrier);

函数的 成功返回值有2个 ，第一个成功返回的线程会返回PTHREAD_BARRIER_SERIAL_THREAD，其他线程都返回0。可以用第一个成功返回的线程来做一些善后处理工作。
销毁屏障

#include 
int pthread_barrier_destroy(pthread_barrier_t *barrier);