Linux学习之系统编程7(线程同步/互斥锁/信号量/条件变量）

写在前面：

我的Linux的学习之路非常坎坷。第一次学习Linux是在大一下的开学没多久，结果因为不会安装VMware就无疾而终了，可以说是没开始就失败了。第二次学习Linux是在大一下快放暑假（那个时候刚刚过完考试周），我没什么事做就又重拾Linux，不服输的我选择再战Linux，这一次学习还算顺利，虽然中间有些小插曲但是不影响整体学习进度， 我看着B站上的视频一点点学习Linux，基本上把Linux的基础指令学完了。学完之后我又遇到问题了，视频基本上到这就结束了，而我却不知道下一步该学什么，于是就没怎么碰Linux，结果没过多长时间我就把学的Linux指令忘的一干二净。现在是我第三次学习Linux，我决定重新开始学Linux，同时为了让自己学习的效果更好，我选择以写blog的形式逼迫自己每天把学习到的Linux知识整理下来。这也就是我写这个系列blog的原因。

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线程同步

概念：

协同步调，对公共区数据按序访问，防止数据混乱，产生与时间有关的错误。

数据混乱的原因：

• 资源共享（独享资源则不会）
• 调度随机（意味着数据访问会出现竞争）
• 线程间缺乏必要同步机制

解决方法

使用锁。建议锁！对公共数据进行保护。所有线程应该在访问公共数据前先拿锁在访问，但锁本身不具备强制性。

这段话可能有点绕，我在这里稍微解释一下。正确使用锁可以保证线程同步，但你也可以不使用锁直接去访问公共数据，也可以访问到，但这样就不能保证线程同步，就是说程序本身并不能强制你使用锁。

数据混乱的演示

源代码：

#include
#include
#include
#include
#include

pthread_mutex_t mutex;

void sys_err(char* str,int errno)
{
	fprintf(stderr,"%s:%s",str,strerror(errno));
	exit(-1);
}

void* fun(void* arg)
{
	while(1)
	{
		printf("hellow ");
		sleep(rand()%3);
		printf("world\n");
		sleep(rand()%3);
	}
	return NULL;
}


int main()
{
	pthread_t tid;
	srand(time(NULL));
	int res=pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("init error",res);
	res=pthread_create(&tid,NULL,fun,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	while(1)
	{
		printf("HELLOW ");
		sleep(rand()%3);
		printf("WORLD\n");
		sleep(rand()%3);
	}
	return 0;
}

效果：

我们可以看到，我们的本意是让大写的“HELLOW WORLD”和小写的“hellow world”在一行输出，这里的公共资源是屏幕STDOUT_FILENO，但是由于我们让每一个线程打印完上一句话就睡一下，这样就会导致线程混乱。

借助互斥锁实现线程同步

相关函数的介绍

• pthread_mutex_t mutex这个不是函数，是一个类型。是后面函数都会用到的参数。
• int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t* restrict mutex,const pthread_mutexattr_t* restrict attr);创建
• int pthread_mutex_destory(pthread_mutex* mutex);销毁
• int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);上锁
• int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);尝试上锁
• int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);解锁

restrict（关键字）: 用来限定指针变量。被该关键字限定的指针变量所指向的内存操作，必须由本指针完成。

pthread_mutex_t 类型，其本质是一个结构体。为简化理解，应用时可忽略其实现细节，简单当成整数看待pthread_mutex_t mutex；变量mutex只有两种取值：0,1

使用锁（互斥量，互斥锁）的一般步骤

1. pthread_mutex_t lock; 创建锁
2. pthread_mutex_init; 初始化
3. pthread_mutex_lock;加锁
4. 访问共享数据
5. pthrad_mutext_unlock();解锁
6. pthead_mutex_destroy；销毁锁

初始化互斥量

1. 动态初始化：pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
2. 静态初始化：pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

举个栗子

我们还是实现上面的功能，只不过这次我们加锁，实现大写的在一行，小写的在一行。
源代码：

#include
#include
#include
#include
#include

pthread_mutex_t mutex;

void sys_err(char* str,int errno)
{
	fprintf(stderr,"%s:%s\n",str,strerror(errno));
	exit(-1);
}

void* fun(void* arg)
{
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("hellow ");
		sleep(rand()%3);
		printf("world\n");
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		sleep(rand()%3);
	}
	return NULL;
}


int main()
{
	pthread_t tid;
	srand(time(NULL));
	int res=pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("mutex init",res);
	res=pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("init error",res);
	res=pthread_create(&tid,NULL,fun,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	while(1)
	{
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		printf("HELLOW ");
		sleep(rand()%3);
		printf("WORLD\n");
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		sleep(rand()%3);
	}
	return 0;
}

效果：

使用技巧

注意事项

• 尽量保证锁的粒度， 越小越好。（访问共享数据前，加锁。访问结束立即解锁。）
• 互斥锁，本质是结构体。 我们可以看成整数。 初值为 1。（pthread_mutex_init() 函数调用成功）

技巧

• 加锁： --操作， 阻塞线程。
• 解锁： ++操作， 唤醒阻塞在锁上的线程。
• try锁：尝试加锁，成功–。失败，返回。同时设置错误号 EBUSY

两种死锁

1. 对一个锁反复加锁
   源代码：

#include
#include
#include
#include
#include

pthread_mutex_t mutex;

int main()
{
	pthread_t tid;
	pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	pthread_mutex_lock(&mutex);
	printf("hello linux\n");
	return 0;
}

效果就是光标一直在闪，程序一直阻塞在那里。

2. 两个线程，各自持有一把锁，请求另一把锁
   源代码：

#include
#include
#include
#include
#include

pthread_mutex_t mutex1;
pthread_mutex_t mutex2;

void* fun(void* arg)
{
	pthread_mutex_lock(&mutex2);
	sleep(1);
	printf("hello linux\n");
	pthread_mutex_lock(&mutex1);
	return NULL;
}

int main()
{
	pthread_t tid;
	pthread_mutex_init(&mutex1,NULL);
	pthread_mutex_init(&mutex2,NULL);
	pthread_create(&tid,NULL,fun,NULL);
	pthread_mutex_lock(&mutex1);
	sleep(1);
	printf("HELLO LINUX\n");
	pthread_mutex_lock(&mutex2);	
	printf("hello linux\n");
	return 0;
}

效果和上面一种死锁一样，光标一直在那闪。

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读写锁

原理

• 锁只有一把。以读方式给数据加锁——读锁。以写方式给数据加锁——写锁。
• 读共享，写独占。
• 写锁优先级高。
• 相较于互斥量而言，当读线程多的时候，提高访问效率。

相关函数

• pthread_rwlock_t rwlock;这不是函数，是个类型。
• pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);:创建
• pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);：加读锁
• pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);：加写锁
• pthread_rwlock_unlock(&rwlock);：解锁
• pthread_rwlock_destroy(&rwlock);销毁锁

举个栗子

由于这个读写不是重点，我就不亲自写了。
源代码：

效果：

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条件变量

条件变量不是锁，但是通常结合锁来使用。

相关函数

• pthread_cond_t cond;这不是函数，是一个类型
• pthread_cond_init();：创建条件变量
• pthread_cond_destroy();：销毁条件变量
• pthread_cond_wait();：阻塞等待条件
• pthread_cond_timewait();：有时限的阻塞等待条件
• pthread-cond_signal();：至少通知一个阻塞等待的条件变量
• pthread-cond_broadcast();通知所有阻塞等待的条件变量

初始化条件变量

1. 动态初始化：pthread_cond_init(&cond,NULL);
2. 静态初始化：pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

重点函数讲解

pthread_cond_wait(&cond,&mutex)
作用

1. 阻塞等待条件变量满足
2. 解锁已经加锁成功的信号量 （相当于 pthread_mutex_unlock(&mutex)），1,2两步为一个原子操作.
3. 当条件满足，函数返回时，解除阻塞并重新申请获取互斥锁。重新加锁信号量 （相当于pthread_mutex_lock(&mutex);）

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条件变量的生产者和消费者模型

思路：

单个消费者模型

源代码：

#include
#include
#include
#include
#include

struct mesg
{
	int num;
	struct mesg* next;
};

struct mesg* head;

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void sys_err(char* str,int errno)
{
	fprintf(stderr,"%s:%s\n",str,strerror(errno));
	exit(-1);
}

void* produser(void* arg)
{
	while(1)
	{
		struct mesg* m=malloc(sizeof (struct mesg));
		m->num=rand()%1000+1;
		printf("---produce:%d\n",m->num);
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		m->next=head;
		head=m;
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		pthread_cond_signal(&cond);
		sleep(rand()%3);
	}
	return NULL;
}

void* consumer(void* arg)
{
	while(1)
	{
		struct mesg* m;
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		if(head==NULL)
			pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
		m=head;
		head=m->next;
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		printf("----------consume:%d\n",m->num);
		free(m);
		sleep(rand()%3);
	}
	return NULL;
}
		


int main()
{
	pthread_t tid_pro,tid_con;
	srand(time(NULL));
	int res=pthread_create(&tid_pro,NULL,produser,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	res=pthread_create(&tid_con,NULL,consumer,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	pthread_detach(tid_pro);	//if use this way,must use pthread_exit to exit main pthread.
	pthread_detach(tid_con);
//	pthread_join(tid_pro,NULL);
//	pthread_join(tid_con,NULL);
//	return 0;
	pthread_exit(0);
}

效果：

多个消费者模型

源代码：

#include
#include
#include
#include
#include

struct mesg
{
	int num;
	struct mesg* next;
};

struct mesg* head;

pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIZER;

void sys_err(char* str,int errno)
{
	fprintf(stderr,"%s:%s\n",str,strerror(errno));
	exit(-1);
}

void* produser(void* arg)
{
	while(1)
	{
		struct mesg* m=malloc(sizeof (struct mesg));
		m->num=rand()%1000+1;
		printf("---produce:%d\n",m->num);
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		m->next=head;
		head=m;
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		pthread_cond_signal(&cond);
		sleep(rand()%3);
	}
	return NULL;
}

void* consumer(void* arg)
{
	int i=(int) arg;
	while(1)
	{
		struct mesg* m;
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		while(head==NULL)
			pthread_cond_wait(&cond,&mutex);
		m=head;
		head=m->next;
		pthread_mutex_unlock(&mutex);
		printf("%dth consumer----------consume:%d\n",i,m->num);
		free(m);
		sleep(rand()%3);
	}
	return NULL;
}
		


int main()
{
	pthread_t tid_pro,tid_con1,tid_con2,tid_con3;
	srand(time(NULL));
	int res=pthread_create(&tid_pro,NULL,produser,NULL);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	res=pthread_create(&tid_con1,NULL,consumer,(void*)1);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	res=pthread_create(&tid_con2,NULL,consumer,(void*)2);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
	res=pthread_create(&tid_con3,NULL,consumer,(void*)3);
	if(res!=0)
		sys_err("pthread create error",res);
//	pthread_detach(tid_pro);	
//	pthread_detach(tid_con);
	pthread_join(tid_pro,NULL);
	pthread_join(tid_con1,NULL);
	pthread_join(tid_con2,NULL);
	pthread_join(tid_con3,NULL);
	return 0;
}

效果：

注意事项
我们在多个消费者模型一定在消费者线程中把等待阻塞的判断从if改成while.

1. 两个消费者都阻塞在条件变量上，就是说没有数据可以消费。
2. 完事儿都把锁还回去了，生产者此时生产了一个数据，会同时唤醒两个因条件变量阻塞的消费者，完事儿两个消费者去抢锁。
3. 结果就是A消费者拿到锁，开始消费数据，B消费者阻塞在锁上（如下图）。
4. 之后A消费完数据，把锁归还，B被唤醒，然而此时已经没有数据供B消费了。
5. 所以这里有个逻辑错误，消费者阻塞在条件变量那里应该使用while循环。这样A消费完数据后，B做的第一件事不是去拿锁，而是判定条件变量。
   
   实测，如果不改的话就会发生段错误。

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信号量实现生产者和消费者模型

信号量的作用

• 应用于线程、进程间同步。
• 相当于 初始化值为 N 的互斥量。 N值，表示可以同时访问共享数据区的线程数。

相关的函数

• sem_t sem这不是函数，是类型。
• int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);创建信号量
• sem_destroy();:销毁信号量
• sem_wait();:一次调用，做一次-- 操作， 当信号量的值为 0 时，再次 – 就会阻塞。 （对比 pthread_mutex_lock）
• sem_post();:一次调用，做一次++ 操作. 当信号量的值为 N 时, 再次 ++ 就会阻塞。（对比 pthread_mutex_unlock）

重要函数

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

• sem:信号量
• pshared:0表示线程同步，1表示进程同步
• value:N值。（指定同时访问的线程数）

模型

源代码：

#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define MAX 5
sem_t blank,product;
int queue[MAX];

void* producer(void* arg)
{
	int i=0;
	while(1)
	{
		sem_wait(&blank);
		queue[i]=rand()%1000+1;
		sem_post(&product);
		printf("-------------producer:%d\n",queue[i]);
		i=(i+1)%MAX;
		sleep(rand()%2);
	}
	return NULL;
}

void* consumer(void* arg)
{
	int i=0;
	while(1)
	{
		sem_wait(&product);
		printf("---consumer:%d\n",queue[i]);
		sem_post(&blank);
		i=(i+1)%MAX;
		sleep(rand()%2);
	}
	return NULL;
}


int main()
{
	pthread_t ctid,ptid;

	srand(time(NULL));
		
	sem_init(&blank,0,MAX);
	sem_init(&product,0,0);		//why set 0?This is mean 0 pthread visit in the same time?

	pthread_create(&ctid,NULL,producer,NULL);
	pthread_create(&ptid,NULL,consumer,NULL);

	pthread_join(ctid,NULL);
	pthread_join(ptid,NULL);

	sem_destroy(&blank);
	sem_destroy(&product);

	return 0;
}

效果：

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写在最后

个人亲身经验：我们学习的一系列Linux命令，一定要自己亲手去敲。不要只是看别人敲代码，不要只是停留在眼睛看，脑袋以为自己懂了，等你实际上手去敲会发现许许多多的这样那样的问题。毕竟“实践出真知”。

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如果你觉得我写的题解还不错的，请各位王子公主移步到我的其他题解看看

1. 数据结构与算法部分（还在更新中）：

• C++ STL总结 - 基于算法竞赛（强力推荐）
• 动态规划——01背包问题
• 动态规划——完全背包问题
• 动态规划——多重背包问题
• 动态规划——分组背包问题
• 动态规划——最长上升子序列（LIS)
• 二叉树的中序遍历（三种方法）
• 最长回文子串
• 最短路算法——Dijkstra（C++实现）
• 最短路算法———Bellman_Ford算法（C++实现）
• 最短路算法———SPFA算法（C++实现）
• 最小生成树算法———prim算法（C++实现）
• 最小生成树算法———Kruskal算法（C++实现）
• 染色法判断二分图（C++实现）

2. Linux部分（还在更新中）：

• Linux学习之初识Linux
• Linux学习之命令行基础操作
• Linux学习之基础命令（适合小白）
• Linux学习之权限管理和用户管理
• Linux学习之制作静态库和动态库
• Linux学习之makefile
• Linux学习之系统编程1（关于读写系统函数）
• Linux学习之系统编程2（关于进程及其相关的函数）
• Linux学习之系统编程3（进程及wait函数）
• Linux学习之系统编程4(进程间通信）
• Linux学习之系统编程5(信号）
• Linux学习之系统编程6(线程）

✨总结

“种一颗树最好的是十年前,其次就是现在”
所以,
“让我们一起努力吧,去奔赴更高更远的山海”

如果有错误❌,欢迎指正哟

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