IO进、线程——进程间通信的同步与互斥。信号量、互斥锁（PV操作）和条件变量

一、进程间通信的同步与互斥

在多进程编程中，进程之间可能会共享某些资源，例如共享内存、文件、数据库等。当多个进程同时访问这些共享资源时，就会产生竞争条件（Race Condition），导致数据不一致或者出现错误。为了避免竞争条件，保证进程之间的正确协作，需要使用同步与互斥机制来对共享资源进行管理。

二、同步与互斥的概念

①同步（Synchronization）：顺序进行访问
多个进程在访问共享资源时，通过一定的机制保证它们按照一定的顺序进行访问，避免产生竞争条件。同步机制用于协调多个进程的执行顺序，确保它们按照预定的逻辑执行。

②互斥（Mutual Exclusion）：只允许一个线程访问
多个进程在访问共享资源时，通过一定的机制保证同时只有一个进程可以访问该资源，其他进程必须等待。互斥机制用于防止多个进程同时访问共享资源，避免产生竞争条件。

三、同步与互斥的实现

1. 信号量（Semaphore）

信号量是一种用于进程间同步与互斥的机制，它可以用来控制对共享资源的访问。信号量维护一个整数值，当进程访问共享资源时，首先尝试对信号量进行操作。如果信号量值大于0，则表示资源可用，进程可以访问资源并将信号量值减一。如果信号量值等于0，则表示资源不可用，进程需要等待，直到资源可用为止。

①初始化信号量

#include 

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

功能：初始化信号量
返回值：成功返回0，失败返回-1
参数说明：
sem：指向要初始化的信号量对象（名字）
pshared：指定信号量的共享方式，0表示线程间共享，非0表示进程间共享
value：信号量的初始值

②销毁信号量

int sem_destroy(sem_t *sem);

功能：销毁信号量
返回值：成功返回0，失败返回-1
参数说明：
sem：指向要销毁的信号量的指针

③等待信号量（申请）P操作

int sem_wait(sem_t *sem);

功能：等待（申请）信号量。向系统申请某个信号量资源，如果资源个数为0，那么程序会阻塞等待资源产生；如果有资源，那么程序可以获得资源并继续往后运行，系统中这个资源的个数-1
返回值：成功返回0，失败返回-1
参数说明：
sem：指向要等待的信号量的指针

④释放信号量 V操作

int sem_post(sem_t *sem);

功能：释放信号量。无条件让系统中某个资源的个数+1
返回值：成功返回0，失败返回-1
参数说明：
sem：指向要释放的信号量的指针

2、互斥锁（Mutex）

互斥锁是一种特殊的锁，它用于实现临界区的互斥访问。在进程访问共享资源之前，需要先获得互斥锁，一旦获得锁，其他进程将无法再获得锁，直到当前进程释放锁为止。
临界资源：表示临界代码，需要保护临界代码

①初始化互斥锁

#include 

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,
							const pthread_mutexattr_t *mutexattr);

功能：初始化互斥锁。在系统中创建出来一种锁资源，并且初始化其个数为1
返回值：成功返回0，失败返回错误码
参数说明：
mutex：指向要初始化的互斥锁对象
mutexattr：指向互斥锁属性的锁属性，默认属性写NULL

②锁定（申请）互斥锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：锁定（申请）互斥锁。向系统申请一种锁资源，如果系统中有这个锁资源，那么程序可以继续往后运行，并且申请成功过后系统中这个锁资源的个数-1.如果系统中没有这个锁资源，那么程序会阻塞等待资源的产生
返回值：成功返回0，失败返回错误码
参数说明：
mutex：指向初始化好的锁资源

③解锁（释放）互斥锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：解锁（释放）互斥锁。无条件让系统中这个锁资源的个数+1
返回值：成功返回0，失败返回错误码
参数说明：
mutex：指向要解锁的互斥

尝试锁定互斥锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

功能：尝试锁定互斥锁
返回值：成功返回0，失败返回错误码
参数说明：
mutex：指向要尝试锁定的互斥锁的指针

在指定的时间范围内尝试锁定互斥锁

int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex,
							 const struct timespec *abstime);

功能：在指定的时间范围内尝试锁定互斥锁
返回值：成功返回0，失败返回错误码
参数说明：
mutex：指向要尝试锁定的互斥锁的指针
abstime：指向指定时间的结构体的指针

销毁互斥锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

功能：销毁互斥锁
返回值：成功返回0，失败返回错误码
mutex：指向要销毁的互斥锁的指针

3、条件变量

条件变量是一种用于线程之间的同步的机制，它允许线程在满足特定条件之前等待，一旦条件满足，线程将被唤醒继续执行。条件变量通常与互斥锁一起使用，以确保在等待条件时数据不会被破坏。

①初始化条件变量

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, 
						const pthread_condattr_t *attr);

功能：初始化条件变量
返回值：成功返回0，失败返回错误码
cond：指向要初始化的条件变量的指针
attr：条件变量的属性，通常设置为NULL表示使用默认属性

②销毁条件变量

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

功能：销毁条件变量
返回值：成功返回0，失败返回错误码
cond：指向要销毁的条件变量的指针

③等待条件变量

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

功能：等待条件变量满足
返回值：成功返回0，失败返回错误码
cond：指向要等待的条件变量的指针
mutex：指向已加锁的互斥锁的指针，用于防止竞态条件

④唤醒等待条件变量的线程

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

功能：唤醒等待条件变量的一个线程
返回值：成功返回0，失败返回错误码
cond：指向要唤醒的条件变量的指针

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

功能：唤醒等待条件变量的所有线程
返回值：成功返回0，失败返回错误码
cond：指向要唤醒的条件变量的指针