POSIX信号量(基于生产消费模型)
目录
一、信号量
1.1之前代码的不足之处
1.2什么是信号量
二、信号量接口
三、信号量版本的生产消费模型
①单生产单消费
②多生产多消费
四、线程池
五、线程安全的单例模式
六、其他常见的各种锁
①STL,智能指针和线程安全
②其他常见的各种锁
一、信号量
1.1之前代码的不足之处
一个线程在操作临界资源的时候，临界资源必须是满足条件的。可是，公共资源是否满足生产或者消费条件，我们无法直接得知(在没有访问前，无法得知)。如果事前得知满足条件，就不需要加锁让线程可以直接访问。而现在我们的代码是先加锁，再检测，再操作，再解锁。是否可以在加锁之前就检测条件呢？这样可以事前分配，提高效率！这也就是POSIX信号量的作用！
1.2什么是信号量
在谈及进程间通信时提及过信号量，没错，通俗来说，信号量就是计数器。
它就是对临界资源进行事前预订这样一个机制。只要申请到，用有信号量，未来就一定能够拥有临界资源的一部分。这也就是申请信号量的本质：对临界资源中特定小块资源的预订机制。
申请成功的一定知道能够使用，而失败的只能等待。这样由之前的先加锁再检测的代码可以优化为不检测资源，只需要检测信号量就可以了。
二、信号量接口
引入环形队列&&cp问题
如果是使用环形队列来当作生产消费的缓冲区。那么我们就要考虑生产和消费在什么情况下可能访问同一个位置：
1、空的时候
2、满的时候
其他情况下生产者和消费者根本访问的就是不同的区域！
环形队列有两种方式模拟：
环形队列采用数组模拟，用模运算来模拟环状特性。
环形结构起始状态和结束状态都是一样的，不好判断为空或者为满，所以可以通过加计数器或标记位来判断满或者空。另外也可以预留一个空的位置，作为满的状态。
我们代码采用的是第一种方式。
为了完成环形队列cp问题，我们要做的核心工作是什么？
1、消费者不能超过生产者(因为是先生产后消费)
2、生产者不能超过消费者一圈
3、考虑生产者什么时候和消费者站在一起
对于生产者而言看中的是队列中的剩余空间--空间资源定义一个信号量；而对于消费者而言看中的是放入队列中的数据--数据资源定义一个信号量。
环形队列为空的时候，生产者可以申请成功，而消费者无法申请成功。当为满的时候，消费者可以申请成功，而生产者无法申请成功。
在这里，生产和消费的位置我们一定要想清楚，其实就是队列中的下标，而且当为空或者满的时候二者下标相同。
代码是生产慢于消费的，演示也是如此，非常典型的同步过程。
如果消费慢于生产，看到的现象是生产者先生产满队列，消费者一消费，生产者就生产，消费一个生产一个。
消费的是历史数据。
三、信号量版本的生产消费模型
①单生产单消费
让生产消费比较复杂的类。
目前只是支持了单生产和单消费的互斥和同步。
②多生产多消费
申请到了空间信号量，意味着一定能进行正常的生产。那么我们是先加锁再申请信号量还是先申请信号量再加锁呢？
之前的代码：
效率更高的是先分配信号量，再加锁。在持有锁期间，可以提前先把信号量指派给不同的线程。先申请加锁再申请信号量效率非常低，意味着后续线程只能在锁的位置等。
总的代码逻辑就是申请自己关心的资源，释放对方关心的资源。
四、线程池
线程池的概念：
线程池是一种线程使用模式。线程过多会带来调度开销，进而影响缓存局部性和整体性能。而线程池维护着多个线程，等待着监督管理者分配可并发执行的任务。这避免了在处理短时间任务时创建与销毁线程的代价。线程池不仅能够保证内核的充分利用，还能防止过分调度。可用线程数量应该取决于可用的并发处理器，处理器内核、内存、网络sockets等的数量。
线程池的应用场景：
1、需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短。WEB服务器完成网页请求这样的任务，使用线程池技术是非常合适的。因为单个任务小，而任务数量巨大，你可以想象一个热门网站的点击次数。但对于长时间的任务，比如一个Telnet连接请求，线程池的优点就不明显了。因为Telnet会话时间比线程的创建时间大多了。
2、对性能要求苛刻的应用，比如要求服务器迅速相应客户请求。
3、接受突发性的大量请求，但不至于使服务器因此产生大量线程的应用。突发性大量客户请求，在没有线程池情况下，将产生大量线程，虽然理论上大部分操作系统线程数目最大值不是问题，短时间内产生大量线程可能使内存到达极限，出现错误。
线程池实例
1、创建固定数量线程池，循环从任务队列中获取任务对象。
2、获取到任务对象后，执行任务对象中的任务接口。
线程池的简单实现：
五、线程安全的单例模式
单例模式是一种"经典的，常用的，常考的"设计模式。
单例模式的特点：
某些类，只具有一个对象(实例)，就称之为单例。
在很多服务器开发场景中，经常需要让服务器加载很多的数据(上百G)到内存中。此时往往要用一个单例的类来管理这些数据。
非常经典的单例模式是饿汉实现方式和懒汉实现方式。
以洗碗的例子来比拟这两种模式：
吃完饭 , 立刻洗碗 , 这种就是饿汉方式 . 因为下一顿吃的时候可以立刻拿着碗就能吃饭 .吃完饭 , 先把碗放下 , 然后下一顿饭用到这个碗了再洗碗 , 就是懒汉方式 .
上面的代码只需修改两处就能改成懒汉单例模式：
六、其他常见的各种锁
①STL,智能指针和线程安全
STL中的容器是否是线程安全的?
不是。原因是STL的设计初衷是将性能挖掘到极致，而一旦涉及到加锁保证线程安全，会对性能造成巨大的影响。而且对于不同的容器，加锁方式的不同，性能可能也不同。因此STL默认不是线程安全，如果需要在多线程环境下使用，往往需要调用者自行保证线程安全。
智能指针是否是线程安全的?
对于 unique_ptr,由于只是在当前代码块范围内生效，因此不涉及线程安全问题。
对于shared_ptr,多个对象需要共用一个引用计数变量，所以会存在线程安全问题，但是标准库实现的时候考虑到了这个问题，基于原子操作(CAS)的方式保证shared_ptr能够高效，原子的操作引用计数。
②其他常见的各种锁
悲观锁:在每次取数据时，总是担心数据会被其他线程修改，所以会在取数据前先加锁(读锁，写锁，行锁等)，当其他线程想要访问数据时，被阻塞挂起。
乐观锁:每次取数据时候，总是乐观的认为数据不会被其他线程修改，因此不上锁。但是在更新数据前，会判断其他数据在更新前有没有对数据进行修改。主要采用两种方式:版本号机制和CAS操作。
CAS操作:当需要更新数据时，判断当前内存值和之前取得的值是否相等。如果相等则用新值更新。若不等则失败，失败则重试，一般是一个自旋的过程，即不断重试。
读写锁:在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相较于改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢?有，那就是读写锁。
这里可以简单介绍一下自旋锁和读写锁。
自旋锁
当一个线程在询问临界资源时，有两种方式，一种是挂起等待其他线程访问完临界资源，另一种就是自旋(轮询)。采用哪种方式取决于需要等待的时长问题。比如这个线程充满大量的IO操作，等待时间较长，就挂起等待。而具体采用哪种方式是程序员自己定义的，都不确定的时候可以自行测试确定效果。
它的一些接口和互斥锁设计比较相似：
读写锁
根据读写锁可以设计读者写者模型，它和生产和消费者模型的本质区别是消费者会拿走数据，而读者不会。
读者写者模型应用场景就是一次发布，很长时间不做修改的，比如笔者记的笔记。这其中类似于生产消费模型也是"321"设计规则。
三种关系：写者之间是互斥关系。一旦有一个写者，其余写者就无法进入。读者和写者之间是互斥和同步关系。一旦写者进入，读者就无法读取数据，而读者进入，写者在一定情况下和读者是同步关系(涉及到读者优先和写者优先的设计)。读者与读者没有关系，可共享读取数据。
两种角色:读者和写者。一个交易场所。
读写锁的一些接口:
伪代码原理:
这是读者优先的伪代码设计。如果是第一次读者进入，那么根据读者和写者互斥就锁住写锁，当读者的数量为0时，就释放写锁。
读者优先很容易导致写者饥饿问题，这是很正常的，只要有读者来，写者一直等待。而写者优先的设计就是写者能拦住没有进去的读者。以写者来的时间点来划分，晚于写者的读者就阻塞，先于写者的就可以读取。等之前的读者读完，写者处理完再让后续读者读取。