线程(thread)及线程间同步(互斥锁、信号量、条件信号)

一 线程

（一） 线程的概念

1.背景

• 创建进程的过程会带来很大的系统开销。
• 为了完成进程间的数据交换，需要特殊的 IPC(Inter Process Communication，进程间通信)技术。
• 进程的上下文切换开销很大。（这是使用进程时的最大开销）

为了在一定程度上克服多进程的上述缺点，人们引入了线程（Thread）。这是为了将进程的各种缺点降至最低限度（不能直接消除）而设计出的一种“轻量级进程”（Light Weight Process，LWP）。

2.什么是线程

线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位。它是比进程更小的能独立运行的基本单位。线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器，一组寄存器和栈），但是它可与同属于一个进程的其他的线程共享进程拥有的全部资源。

3.线程与进程的比较

每个进程的内存空间都由保存变量的 “数据区”、使用malloc等函数动态分配的堆区（Heap）、函数运行时使用的栈区（Stack）构成，每个进程都有这种独立的内存空间。但如果以获得多个代码执行流为主要目的，只需分离栈区域，通过这种方式可以获得如下优势：

• 上下文切换时不需要切换数据区和堆区。
• 可以利用数据区和堆区交换数据,无需特殊技术
• 线程的创建和上下文切换比进程的创建和上下文切换速度更快。

• 进程：在操作系统构成单独执行流的单位。
• 线程：在进程构成单独执行流的单位。
• 进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，是程序执行的最小单位；而线程是CPU执行和调度的基本单位。

4.进程与线程的区别

进程和线程的主要区别在于它们是不同的操作系统资源管理方式。

1. 进程有独立的地址空间。
2. 线程有自己的栈和局部变量，但线程之间没有单独的地址空间，共享数据区和堆区。
3. 线程的划分尺度小于进程，使得多线程程序的并发性高。
4. 多进程的程序要比多线程的程序健壮，但在进程切换时，耗费资源较大，效率要差一些。
5. 进程在执行过程中拥有独立的内存单元，而多个线程共享内存，从而极大地提高了程序的运行效率。
6. 每个独立的线程有一个程序运行的入口、顺序执行序列和程序的出口。但是线程不能够独立执行，必须依存在应用程序中，由应用程序提供多个线程执行控制。
7. 多线程的意义在于一个应用程序中，有多个执行部分可以同时执行。但操作系统并没有将多个线程看做多个独立的应用，来实现进程的调度和管理以及资源分配。

（二）线程的操作

1.创建 pthread_create()

不能使用perror函数处理错误信息。
处理错误信息函数：strerror（ret）

#include 
 
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,void *(*start_routine) (void *), void *arg);
/*
功能：创建一个新的线程
参数：
			  pthread_t *thread：以出参的方式获得新创建线程的ID
	 const pthread_attr_t *attr：用于定制各种不同的线程属性，NULL为创建默认属性的线程
void *(*start_routine) (void *)：在单独执行流中执行的函数地址值（函数指针）
					  void *arg：通过第三个参数传递调用函数时包含传递参数信息的变量地址值
返回值：
		成功：0
		失败：错误编号
*/

2.退出 pthread_exit()

#include 
 
void pthread_exit(void *retval);
/*
功能：线程主动退出函数
参数：
	void *retval：出时，需要传递给pthread_join的数据，不传数据用 NULL
返回值：
		成功：0
		失败：错误编号
*/

//作为保留
int pthread_cancel(pthread_t thread);//线程取消函数
int pthread_detach(pthread_t thread);//分离线程函数

3.等待 pthread_ join()

#include 

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
/*
功能：等待一个线程的结束
参数：
	 pthread_t thread：需要等待的线程ID
		void **retval：指向 pthread_exit返回的数据
返回值：
		成功：0
		失败：错误编号
*/

4.获取ID pthread_ self()

pthread_t pthread_self (void)；
/*
功能：获取当前线程id
参数：
		无
返回值：
		线程ID 无符号长整型，输出格式为 "%lu"
*/

二 互斥锁

（一）互斥锁的概念

1.临界区

临界资源： 是指在同一个时刻只允许有限个任务可以访问或修改的资源，通常包括硬件资源（CPU、内存、外设等）和软件资源（共享代码段、共享结构、变量等）

临界区（Critical Section）：
  在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问的区域。这个临界区可能是代码块、或是共享内存。
  例如，多个线程同时访问同一个全局变量，如果都是读取操作，则不会出现问题。 如果一个线程负责改变此变量的值，而其他线程负责同时读取变量的值，则不能保证读取到的数据是经过写线程修改后的。为了确保读线程读取到的是经过修改后的值，就必须在向全局变量写入数据时禁止其他线程对其的任何访问，直至赋值过程结束后再解除对其他线程的访问限制。
  从代码角度讲，全局变量就是共享资源，访问全局变量的语句或语句块就是临界区；从内存角度讲，全局变量所在内存空间中的数据就是共享资源，而内存空间的大小就是临界区。

2.互斥锁

当一个进程中存在两个及以上（一个进程本来就有一个线程）的线程时，线程间会互相争夺共享资源，导致单个线程中的执行秩序会被打乱。所以需要用到互斥量来进行秩序控制，保证单个线程中的程序先执行完毕。
互斥量也叫互斥锁，本人觉得互斥锁更加的贴切，因为互斥量是锁定共享资源（也可以是一段代码），等共享资源被处理完毕后（执行完一段代码），然后去解锁。而另一个线程必须等到这个锁解开了，才能执行自己的代码。注意互斥锁不能控制多线程的执行顺序，也就是我们加了锁之后，并不知道先执行那个线程，我们只能知道，程序执行到有互斥锁的线程后，会把被锁定的代码先执行完毕。

互斥锁的相关API都放在了 ，编译时需要加动态库 -lpthread

（二）互斥锁的操作

1.创建 pthread_mutex_init()

pthread_mutex_t mutex;//定义互斥锁的索引
//使用的时候，应该把 mutex定义为全局变量，这样所有的线程都能使用
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);
/*
功能：创建一个互斥锁
参数：
		 	 pthread_mutex_t *mutex：互斥量的索引（名称）指针类型
	const pthread_mutexattr_t *attr：互斥量的属性，通常为 NULL
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

2.销毁 pthread_mutex_destroy()

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
/*
功能：销毁一个互斥锁，归还自己的一切资源
参数：
		 pthread_mutex_t *mutex：互斥量的索引（名称）指针类型
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
所有线程执行完毕后销毁互斥锁
*/

3.上锁 pthread_mutex_lock()

 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
 /*
功能：锁定某个临界区
参数：
		 pthread_mutex_t *mutex：互斥量的索引（名称）指针类型
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

4.解锁 pthread_mutex_unlock()

 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
 /*
功能：解锁某个临界区
参数：
		 pthread_mutex_t *mutex：互斥量的索引（名称）指针类型
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

5.示例

#include 
pthread_mutex_t mutex;//定义互斥锁的索引

void *Pthread_T1(void *arg)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	.......//执行一些代码
	pthread_mutex_unlock(&mutex);
	pthread_exit(NULL);
}
int main()
{
	int ret;
	pthread_t pthread_T1;
	int T1_ret=pthread_create(&pthread_T1,NULL,(void *)Pthread_T1,NULL);//创建一个子线程
	ret=pthread_mutex_init(&mutex,NULL);//创建互斥锁
	
	............
	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	return 0;
}

三 信号量

（一）信号量的概念

线程的信号量与进程间通信中使用的信号量的概念是一样，它是一种特殊的变量，它可以被增加或减少，但对其的关键访问被保证是原子操作。如果一个程序中有多个线程试图改变一个信号量的值，系统将保证所有的操作都将依次进行。

互斥量与信号量的主要区别：

互斥量用于线程的互斥。
信号量用于线程的同步。

互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它　性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源。

• 互斥量值只能为0/1。信号量值可以为非负整数。
• 也就是说，一个互斥量只能用于一个资源的互斥访问，它不能实现多个资源的多线程互斥问题。信号量可以实现多个同类资源的多线程互斥和同步。当信号量为单值信号量时，也可以完成一个资源的互斥访问。
• 互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用。信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到。

（二）信号量的操作

1.创建 sem_init()

#include 
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,unsigned int value);
 /*
功能：创建信号量
参数：
			sem_t *sem：指向信号量结构的一个指针，创建时应定义为全局变量
		   int pshared：
						 0：只能为当前进程的所有线程共享
		   			   非0：信号量在进程间共享
		unsigned int value：信号量的初始值
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

2.销毁 sem_destroy()

int sem_destroy(sem_t *sem);
 /*
功能：销毁信号量，归还自己的一切资源
参数：
		sem_t *sem：sem_init函数初始化后的信号量结构体的指针
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

3.P操作 sem_wait()

int sem_wait(sem_t *sem);
 /*
功能：使信号量的值减1，如果预计执行后的结果<0，则阻塞等待
参数：
		sem_t *sem：sem_init函数初始化后的信号量结构体的指针
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

说明：

• sem_wait函数也是一个原子操作，它的作用是从信号量的值减去一个“1”，但它永远会先等待该信号量为一个非零值才开始做减法。也就是说，如果你对一个值为2的信号量调用sem_wait(),线程将会继续执行，介信号量的值将减到1。如果对一个值为0的信号量调用sem_wait()，这个函数就会地等待直到有其它线程增加了这个值使它不再是0为止。如果有两个线程都在sem_wait()中等待同一个信号量变成非零值，那么当它被第三个线程增加一个“1”时，等待线程中只有一个能够对信号量做减法并继续执行，另一个还将处于等待状态。
• 信号量这种“只用一个函数就能原子化地测试和设置”的能力下正是它的价值所在。还有另外一个信号量函数sem_trywait，它是sem_wait的非阻塞搭档。

4.V操作 sem_post()

int sem_post(sem_t *sem); 
 /*
功能：使信号量的值加1
参数：
		sem_t *sem：sem_init函数初始化后的信号量结构体的指针
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

说明：
sem_post函数的作用是给信号量的值加上一个“1”，它是一个“原子操作”，即同时对同一个信号量做加“1”操作的两个线程是不会冲突的；而同时对同一个文件进行读、加和写操作的两个程序就有可能会引起冲突。信号量的值永远会正确地加一个“2”－－因为有两个线程试图改变它。

四 条件信号

（一）条件信号的概念

  在进程里，如果没有条件信号去控制线程的话，我们无法确定进程会先执行哪个线程，但是使用条件信号的话，我们可以去控制线程的执行顺序。
  条件本身是由互斥量保护的。线程在改变条件状态前必须首先锁住互斥量，其他线程在获得互斥量之前不会察觉到这种改变，因为必须锁定互斥量以后才能计算条件。
  条件变量使用之前必须首先初始化，pthread_cond_t数据类型代表的条件变量可以用两种方式进行初始化，可以把常量PTHREAD_COND_INITIALIZER赋给静态分配的条件变量。

（二）条件信号的操作

1.创建 pthread_cond_init()

//使用的时候，应该把 *cond定义为全局变量，这样所有的线程都能使用
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
 /*
功能：创建条件信号
参数：
			  pthread_cond_t *cond：条件信号的索引（名称），是指针变量
	const pthread_condattr_t *attr：条件信号的属性，通常为 NULL
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

2.销毁 pthread_cond_destroy()

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
 /*
功能：销毁条件信号，释放占用的资源
参数：
	pthread_cond_t *cond：条件信号的索引（名称），使用pthread_cond_init()初始化后的变量
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

3.等待 pthread_cond_wait()

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t * mutex);
 /*
功能：在指定互斥锁中等待条件信号
参数：
	pthread_cond_t *restrict cond：条件信号的索引，需要等待的条件信号
		  pthread_mutex_t * mutex：在mutex这个互斥锁里等待条件信号
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

4.发送 pthread_cond_signal()

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *restrict cond,);
 /*
功能：发送条件信号
参数：
	pthread_cond_t *restrict cond：条件信号的索引，需要发送的条件信号
返回值：
		成功：返回0
		失败：返回错误编码
*/

5.示例

利用条件信号，先让T2线程执行，把shared_data加到20，然后T1进程把shared_data减到10：

#include 
#include 

int shared_data=0;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;//定义条件信号索引

void *Pthread_T1(void *arg)
{
		pthread_cond_wait(&cond,&mutex);//在mutex锁里等待信号cond
		printf("T1:\n");
		while(1){
			printf("T1:\n");
			shared_data--;
			printf("T1:shared_data=%d\n",shared_data);
			if(shared_data==10){
				pthread_exit(NULL);
			}
			sleep(1);
	}
}

void *Pthread_T2(void *arg)
{
		printf("T2:\n");
		pthread_mutex_lock(&mutex);
        while(1){        
				printf("T2:\n");
                shared_data+=2;
                printf("T2:shared_data=%d\n",shared_data);
                if(shared_data==20){
						pthread_cond_signal(&cond);//发送条件信号
						pthread_mutex_unlock(&mutex);
                        pthread_exit(NULL);
                }
				sleep(1);
        }
}

int main()
{	
	pthread_t T1;
	pthread_t T2;

	int ret1=pthread_create(&T1,NULL,(void *)Pthread_T1,NULL);
	int ret2=pthread_create(&T2,NULL,(void *)Pthread_T2,NULL);
	int mutex_ret=pthread_mutex_init(&mutex,NULL);//创建互斥锁
	int cond_ret=pthread_cond_init(&cond,NULL);	//创建条件信号

	int ret3=pthread_join(T1,NULL);
	int ret4=pthread_join(T2,NULL);
	
	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	pthread_cond_destroy(&cond);//销毁条件信号
	return 0;
}

五 参考资料

高端IT培训 www.hqyj.com
https://blog.csdn.net/SupreV/article/details/78761365
https://blog.csdn.net/u010429831/article/details/122581134
https://blog.csdn.net/qq1140920745/article/details/110007124
https://blog.csdn.net/qq1140920745/article/details/110144556