线程的同步与互斥
目录
一、相关概念
1.互斥的定义
2.同步的定义
二、互斥问题及解决方案
1.互斥锁（mutex）（独占锁）
（1）互斥锁机制
（2）互斥锁的操作
a.申请互斥锁---->
b.上锁---->pthread_mutex_lock
c.解锁---->pthread_mutex_unlock
d.回收互斥锁---->pthread_mutex_destroy
（3）互斥锁具体使用
2.读写锁（rwlock）
（1）读写锁机制
（2）读写锁的操作
a.申请初始化读写锁---->
b.读上锁---->pthread_rwlock_rdlock
c.写上锁---->pthread_rwlock_wrlock
d.解锁---->pthread_rwlock_unlock
e.回收互斥锁---->pthread_rwlock_destroy
（3）读写锁具体使用
3.信号量（semaphore）
（1）信号量机制
（2）信号量应用场景
（3）信号量典型应用
三、同步问题及解决方案
1.条件变量
（1）条件变量机制
（2）条件变量的操作
a.申请初始化条件变量---->
b.条件变量阻塞---->pthread_cond_wait
c.条件变量通知---->pthread_cond_signal
---->pthread_cond_broadcast
d.回收条件变量---->pthread_cond_destroy()
（3）条件变量的应用场景
2.信号量（semphore）（POSIX标准）
（1）POSIX有名信号量：（用于进程间同步互斥）
a.创建---->sem_open
（2）POSIX无名信号量：（用于线程间同步互斥）
a.创建---->sem_init
b.P操作---->sem_wait
c.V操作---->sem_post
d.回收---->sem_destroy
（3）信号量用于同步问题解决
（4）信号量用于同步问题的典型应用
一、相关概念
1.互斥的定义
对同一资源的访问同时仅允许一个访问者，互斥具有唯一性与排他性，互斥无法保证访问者的访问顺序
2.同步的定义
在互斥的基础上，实现对同一资源的有序访问
二、互斥问题及解决方案
1.互斥锁（mutex）（独占锁）
（1）互斥锁机制
a.互斥锁是内核提供的一个用于共享资源互斥访问的内核资源。
b.互斥锁有两种状态：上锁、解锁
c.如果一个线程希望上锁一个已经被上锁的互斥锁，则线程阻塞，直到互斥锁处于解锁状态。
d.如果每个线程在共享资源访问前都对互斥锁进行上锁操作，那么系统只能满足一个线程的上锁操作请求，其他线程将被阻塞，这样就可以保证共享资源在同一时刻仅有一个访问者进行访问。
（2）互斥锁的操作
a.申请互斥锁---->
---->静态初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;---->动态初始化
pthread_mutex_init
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t mutex,pthread_mutexattr_t attr); ①函数功能： 初始化互斥锁
②函数参数： mutex：待初始化的互斥锁
attr：锁属性，NULL代表快速互斥锁，attr 取值可以为以下3种：
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER: 快速互斥锁
PTHREAD_RECURSIVE_MUTEX_INITIALIZER_UP: 递归互斥锁
PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_UP: 检错互斥锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码
b.上锁---->
pthread_mutex_lock
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); ①函数功能： 上锁互斥锁
②函数参数： mutex: 待操作的互斥锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码
c.解锁---->
pthread_mutex_unlock
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); ①函数功能： 解锁互斥锁
②函数参数： mutex: 待操作的互斥锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
d.回收互斥锁---->
pthread_mutex_destroy
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); ①函数功能： 回收互斥锁
②函数参数： mutex: 待操作的互斥锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
（3）互斥锁具体使用
a.共享资源访问前上锁;
b.共享资源访问结束后解锁;
2.读写锁（rwlock）
（1）读写锁机制
a.与互斥锁类似，只是读写锁在上锁操作时，细化为读上锁和写上锁两种操作。
b.读上锁可以让线程共享访问同一资源，写上锁只能独占访问资源。
c.如果针对读访问与写访问的场合，读访问者在同一资源访问前读上锁，不阻塞可以共享访问，无疑会提高资源的访问效率
d.使用场合
读访问者数量 > 1
（2）读写锁的操作
a.申请初始化读写锁---->
---->静态初始化
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER;---->动态初始化
pthread_rwlock_init
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t rwlock,pthread_rwlockattr_t attr); ①函数功能： 初始化读写锁
②函数参数： rwlock：待初始化的读写锁
attr： 锁属性，NULL代表快速读写锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码
b.读上锁---->
pthread_rwlock_rdlock
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); ①函数功能： 读上锁读写锁
②函数参数： mutex: 待操作的读写锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
c.写上锁---->
pthread_rwlock_wrlock
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); ①函数功能： 读上锁读写锁
②函数参数： mutex: 待操作的读写锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
d.解锁---->
pthread_rwlock_unlock
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); ①函数功能： 解锁读写锁
②函数参数： mutex: 待操作的读写锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
e.回收互斥锁---->
pthread_rwlock_destroy
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock); ①函数功能： 回收读写锁
②函数参数： rwlock：待操作的读写锁
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
（3）读写锁具体使用
a.共享资源访问前,如果访问者是读访问资源,读上锁;
b.共享资源访问前,如果访问者是写访问资源,写上锁;
c.共享资源访问结束后解锁;
3.信号量（semaphore）
（1）信号量机制
信号量用于线程互斥，往往仅需要一个信号量，且将信号量的初值设为资源总数；
每个线程在访问共享资源前对该信号量做P操作，资源访问结束后，对信号量做V操作。
（2）信号量应用场景
资源总数 > 1
（3）信号量典型应用
哲学家就餐
三、同步问题及解决方案
1.条件变量
（1）条件变量机制
a.条件变量不像互斥锁那样竞争访问共享资源，条件变量是用来阻塞线程的，直到某个条件成立，条件变量要搭配互斥锁一起使用，原因是条件的判断是要在互斥锁的保护下进行的
b.也就是说，在条件判断的同时，条件是不能被其他线程修改的。
c.条件变量在阻塞第一个线程的同时，会解开用于保护条件的互斥锁。
d.更改条件的线程，可以向条件变量发送信号通知，唤醒被阻塞的线程，线程重新评估条件，再决定是否继续运行
（2）条件变量的操作
a.申请初始化条件变量---->
静态初始化---->
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER动态初始化---->
pthread_cond_init()
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_cond_init(pthread_cond_t* cond,pthread_condattr_t* attr); ①函数功能：初始化条件变量
②函数参数
cond：待初始化的条件变量
attr： 条件变量属性，NULL代表缺省属性：
③函数返回值
成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码
b.条件变量阻塞---->
pthread_cond_wait
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t cond,pthread_mutex_t mutex); ①函数功能： 用条件变量阻塞调用线程，同时解锁mutex
②函数参数： cond：待初始化的条件变量
mutex：待解锁的互斥锁：
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
c.条件变量通知---->
pthread_cond_signal---->
pthread_cond_broadcast
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); ①函数功能： 通知条件变量，唤醒被条件变量阻塞的线程
②函数参数： cond: 待初始化的条件变量
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
d.回收条件变量---->
pthread_cond_destroy()
//头文件
#include
//函数原型
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond); ①函数功能： 回收条件变量
②函数参数： cond: 待初始化的条件变量
③函数返回值: 成功 : 返回0
失败 : 返回 错误码。
（3）条件变量的应用场景
对共享资源的有条件访问
2.信号量（semphore）（POSIX标准）
（1）POSIX有名信号量：（用于进程间同步互斥）
a.创建---->
sem_open
//头文件
#include
#include
#include
//函数原型
sem_t* sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag,
mode_t mode, unsigned int value); ①函数功能： 创建或者打开Posix有名信号量
②函数参数： name：有名信号量名称
oflag：有名信号量标志：
mode： 若创建，mode代表新创建的信号量权限
value：新创建信号量的初值
③函数返回值: 成功：返回新创建信号量地址
失败：返回 SEM_FAILED。错误码放在errno中
（2）POSIX无名信号量：（用于线程间同步互斥）
a.创建---->
sem_init
//头文件
#include
//函数原型
int sem_init(sem_t *sem,int pshared,int value); ①函数功能： 初始化posix无名信号量
②函数参数： sem：待初始化的信号量
psharead： 只能指定为0
value： 信号量的初值
③函数返回值：成功：返回0
失败：-1 错误码放在errno。
b.P操作---->
sem_wait
//头文件
#include
//函数原型
int sem_wait(sem_t *sem,pthread_mutex_t *mutex); ①函数功能： 阻塞调用线程，并释放mutex互斥锁
②函数参数： sem：用于阻塞线程的信号量
mutex： 待解锁的互斥锁：
③函数返回值：成功：返回0
失败： -1 错误码放在errno。
c.V操作---->
sem_post
//头文件
#include
//函数原型
int sem_post(sem_t *sem); ①函数功能： 对信号量值+1
②函数参数： sem：待操作的信号量
③函数返回值: 成功：返回0
失败：-1 错误码放在errno。
d.回收---->
sem_destroy
//头文件
#include
//函数原型
int sem_destroy(sem_t *sem); ①函数功能： 回收信号量
②函数参数： sem：待操作的信号量
③函数返回值: 成功：返回0
失败 : -1 错误码放在errno。
（3）信号量用于同步问题解决
a.信号量用于同步问题，往往需要多个信号量，让其中一个信号量的初值设为资源总数，其余都设为0；
b.若想让某个线程先访问共享资源，在访问共享资源前让其对初值非0的信号量做P操作，其余线程在共享资源访问前对初值为0的信号量做P操作
c.共享资源访问结束后，先访问资源的线程对初值为0的信号量做V操作，其他线程访问结束后，对初值非0的信号量做V操作。
（4）信号量用于同步问题的典型应用
a.生产者消费者问题：也叫有限缓冲问题
b.该问题描述了两个线程（生产者/消费者）对共享缓冲区访问，生产者向缓冲区写入数据，消费者从缓冲区读取数据
c.该问题的关键
①保证生产者线程在共享缓冲区满容量时不允许访问
②保证消费者在共享缓冲区为空时，不能读取数据