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第三章 Linux 多线程开发
- 3.1 线程
- 3.1.2 线程操作
- 3.1.2 线程属性
- 3.2 线程同步
- 3.2.1 互斥量/锁
- 3.2.2 死锁
- 3.2.3 读写锁
- 3.3 生产者消费者模型
- 3.3.1 条件变量
- 3.3.2 信号量/灯
网络编程系列文章：
第1章 Linux系统编程入门（上）
第1章 Linux系统编程入门（下）
第2章 Linux多进程开发（上）
第2章 Linux多进程开发（下）
第3章 Linux多线程开发
第4章 Linux网络编程
- 4.1 网络基础
- 4.2 socket 通信基础
- 4.3 TCP套接字通信
- 4.4 IO多路复用
- 4.5 UDP 通信
第5章 Web服务器
3.1 线程
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线程概述
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与进程（
process）类似，线程 (thread）是允许应用程序 并发执行 多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域 ，其中包括 初始化数据段、未初始化数据段，以及 堆内存段。（传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例，该进程只包含一个线程） -
进程 是 CPU 分配资源的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。
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线程是轻量级的进程（
LWP Light Weight Process），在 Linux 环境下线程的本质仍是进程。 -
查看指定进程的 LWP 号：
ps -Lf pid例如：打开火狐浏览器，查看进程所包含的线程
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线程和进程区别
- 进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。
- 调用
fork()来创建进程的代价相对较高，即便利用写时复制技术，仍然需要复制诸如 内存页表 和 文件描述符表 之类的多种 进程属性，这意味着fork()调用在时间上的开销依然不菲。 - 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需将数据复制到 共享（全局或堆）变量 中即可。
- 创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的，无需采用写时复制来复制内存，也无需复制页表。
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线程和进程虚拟地址空间
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线程之间共享 和 非共享资源
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共享资源
- 进程 ID 和父进程 ID
- 进程组 ID 和会话 ID
- 用户 ID 和 用户组 ID
- 文件描述符表 （这些都是内核中的数据）
- 信号处置
- 文件系统的相关信息：文件权限掩码 (
umask）、当前工作目录 - 虚拟地址空间（除
栈、.text)
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非共享资源
- 线程 ID
- 信号掩码
- 线程特有数据
error变量- 实时调度策略和优先级
- 栈，本地变量和函数的调用链接信息
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NPTL 简介
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当 Linux 最初开发时，在内核中并不能真正支持线程。但是它的确可以通过
clone()系统调用将进程作为可调度的实体。这个调用创建了调用进程（calling process）的一个拷贝，这个拷贝与调用进程共享相同的地址空间。LinuxThreads项目使用这个调用来完成在用户空间模拟对线程的支持。不幸的是，这种方法有一些缺点，尤其是在信号处理、调度和进程间同步等方面都存在问题。另外，这个线程模型也不符合 POSIX 的要求。 -
要改进
LinuxThreads，需要内核的支持，并且重写线程库。有两个相互竞争的项目开始来满足这些要求。一个包括 IBM 的开发人员的团队开展了 NGPT ( Next Generation POSIX Threads ）项目。同时Red Hat 的一些开发人员开展了 NPTL 项目。 NGPT 在 2003 年中期被放弃了，把这个领域完全留给了NPTL。 -
NPTL ，或称为
Native POSIX Thread Library，是 Linux 线程的一个新实现，它克服了 LinuxThreads 的缺点，同时也符合 POSIX 的需求。与 LinuxThreads 相比，它在性能和稳定性方面都提供了重大的改进。 -
查看当前
pthread库版本：getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION
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3.1.2 线程操作
// 创建一个子线程
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);// 获取当前的线程的线程ID
pthread_t pthread_self(void);// 比较两个线程ID是否相等
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);// 终止一个线程
void pthread_exit(void *retval);// 和一个已经终止的线程进行连接
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);// 分离一个线程。被分离的线程在终止的时候，会自动释放资源返回给系统
int pthread_detach(pthread_t thread);// 取消线程（让线程终止）
int pthread_cancel(pthread_t thread);
-
以上命令也可以使用
man pthread+按两次Tab键 / man -k pthread进行查询# 如果输入，显示 没有 pthread 的手册页条目 # 执行如下两条命令 sudo apt-get install glibc-doc sudo apt-get install manpages-posix manpages-posix-dev# 再输入 man pthread + 按两次Tab键 man -k pthread
-
一般情况下,
main函数所在的线程我们称之为主线程（main线程），其余创建的线程称之为 子线程。- 程序中默认只有一个进程，
fork()函数调用，会有2进程。（主进程、子进程） - 程序中默认只有一个线程，
pthread_create()函数调用，2个线程。（主线程、子线程）
- 程序中默认只有一个进程，
-
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);-
功能：创建 一个子线程
-
参数：
thread：传出参数，线程创建成功后，子线程的线程ID 被写到该变量中。attr: 设置线程的属性，一般使用默认值，NULLstart_routine: 函数指针，这个函数是子线程需要处理的逻辑代码arg: 给第三个参数使用，传参
-
返回值：
- 成功：
0 - 失败：返回错误号。这个错误号和之前
errno不太一样。- 获取错误号的信息：
char * strerror(int errnum);
- 获取错误号的信息：
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <string.h> #include <unistd.h>// 子线程 void * callback(void * arg) {printf("child thread...\n");printf("arg value: %d\n", *(int *)arg);return NULL; }int main() { // 主线程pthread_t tid;int num = 10;// 创建一个子线程int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, (void *)&num);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);} for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}sleep(1);return 0; // exit(0); 退出进程 }- 编译上面对的
pthread_create.c文件：gcc pthread_create.c -o create -lpthread，因为pthread.h是第三方库，所有要使用-l库名链接。⭐️⭐️⭐️
- 成功：
-
-
void pthread_exit(void *retval);- 功能：终止一个线程，在哪个线程中调用，就表示终止哪个线程
- 参数：
retval: 需要传递一个指针，作为一个返回值，可以在pthread_join()中获取到。
-
pthread_t pthread_self(void);- 功能：获取 当前的线程的 线程ID
-
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);- 功能：比较 两个线程ID是否相等
注意：不同的操作系统，
pthread_t类型的实现不一样，有的是 无符号的长整型，有的是使用 结构体 去实现的。#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <string.h>void * callback(void * arg) {printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());return NULL; // pthread_exit(NULL); } int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);}// 主线程for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());// 让主线程退出,当主线程退出时，不会影响其他正常运行的线程。pthread_exit(NULL);printf("main thread exit\n"); // 该句不会运行return 0; // exit(0); } -
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);- 功能：和一个已经终止的线程进行 连接
回收子线程的资源
这个函数是阻塞函数，调用一次只能回收一个子线程
一般在主线程中使用 - 参数：
thread：需要回收的子线程的IDretval: 接收子线程退出时的返回值 (二级指针)
- 返回值：
0: 成功
非0: 失败，返回的错误号
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <string.h> #include <unistd.h>int value = 10; //全局变量（共享）void * callback(void * arg) {printf("child thread id : %ld\n", pthread_self());// sleep(3);// return NULL; // int value = 10; // 局部变量，该线程退出时就会销毁pthread_exit((void *)&value); //等同： return (void *)&value; } int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);}// 主线程for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}printf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid ,pthread_self());// 主线程调用pthread_join()回收子线程的资源int * thread_retval;ret = pthread_join(tid, (void **)&thread_retval);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error : %s\n", errstr);}printf("exit data : %d\n", *thread_retval); // 返回的全局变量 （如果是子线程中的局部变量，会返回随机值，因为子线程中的局部变量被收回）printf("回收子线程资源成功！\n");// 让主线程退出,当主线程退出时，不会影响其他正常运行的线程。pthread_exit(NULL);return 0; } - 功能：和一个已经终止的线程进行 连接
-
int pthread_detach(pthread_t thread);-
功能：分离 一个线程。被分离的线程在终止的时候，会自动释放资源返回给系统。
- 不能多次分离，会产生不可预料的行为。
- 不能去连接一个已经分离的线程，会报错。
-
参数：需要分离的线程的ID
-
返回值：
成功：
0失败：返回错误号
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <string.h> #include <unistd.h>void * callback(void * arg) {printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());return NULL; }int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error1 : %s\n", errstr);}// 输出主线程和子线程的idprintf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());// 设置子线程分离,子线程分离后，子线程结束时对应的资源就不需要主线程释放ret = pthread_detach(tid);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error2 : %s\n", errstr);}// 设置分离后，对分离的子线程进行连接 pthread_join()// ret = pthread_join(tid, NULL);// if(ret != 0) {// char * errstr = strerror(ret);// printf("error3 : %s\n", errstr);// }pthread_exit(NULL);return 0; } -
-
int pthread_cancel(pthread_t thread);-
功能：取消 线程（让线程终止）
取消某个线程，可以终止某个线程的运行，
但是并不是立马终止，而是当子线程执行到一个取消点，线程才会终止。
- 取消点：系统规定好的一些 系统调用，我们可以粗略的理解为 从 用户区 到 内核区 的切换，这个位置称之为取消点。
-
返回值：（和上面的相同）
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <string.h> #include <unistd.h>void * callback(void * arg) {printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("child : %d\n", i); // 也是一个取消点}return NULL; }int main() {// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error1 : %s\n", errstr);}// 取消线程pthread_cancel(tid);for(int i = 0; i < 5; i++) {printf("%d\n", i);}// 输出主线程和子线程的idprintf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());pthread_exit(NULL);return 0; } -
3.1.2 线程属性
// 线程属性类型： pthread_attr_t
// 初始化线程属性变量
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);// 释放线程属性的资源
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);// 获取线程分离的状态属性
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);// 设置线程分离的状态属性
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
-
查看线程属性的操作：
man pthread_attr_+按两次Tab键
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <string.h> #include <unistd.h>void * callback(void * arg) {printf("chid thread id : %ld\n", pthread_self());return NULL; }int main() {// 创建一个线程属性变量pthread_attr_t attr;// 初始化属性变量pthread_attr_init(&attr);// 设置属性pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);// 创建一个子线程pthread_t tid;int ret = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);if(ret != 0) {char * errstr = strerror(ret);printf("error1 : %s\n", errstr);}// 获取线程的栈的大小size_t size;pthread_attr_getstacksize(&attr, &size);printf("thread stack size : %ld\n", size);// 输出主线程和子线程的idprintf("tid : %ld, main thread id : %ld\n", tid, pthread_self());// 释放线程属性资源pthread_attr_destroy(&attr);pthread_exit(NULL);return 0; }
3.2 线程同步
- 线程的主要优势在于，能够通过 全局变量 来共享信息。不过，这种便捷的共享是有代价的：必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。
- 临界区 是指访问某一 共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为 原子操作，也就是同时访问同一共享资源的其他线程 不应终断 该片段的执行。
- 线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处于等待状态。
使用多线程实现买票的案例。
-
有3个窗口，一共是100张票。
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h>// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。 int tickets = 100;void * sellticket(void * arg) {// 卖票while(tickets > 0) {usleep(6000);printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);tickets--;}return NULL; }int main() { // 主线程// 创建3个子线程pthread_t tid1, tid2, tid3;pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);// 回收子线程的资源,阻塞pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);pthread_join(tid3, NULL);// 或设置线程分离，子线程结束后资源自动回收// pthread_detach(tid1);// pthread_detach(tid2);// pthread_detach(tid3);pthread_exit(NULL); // 退出主线程return 0;// 如果不设置上一步，主线程结束后，子线程也会全结束。 }
3.2.1 互斥量/锁
-
为避免线程更新共享变量时出现问题，可以使用 互斥量（
mutex是mutual exclusion的缩写）来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源。可以使用互斥量来保证对任意共享资源的 原子访问。 -
互斥量有两种状态： 已锁定（
locked）和 未锁定 (unlocked）。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将可能 阻塞线程 或者 报错失败，具体取决于加锁时使用的方法。 -
一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。一般情况下，对每一共享资源（可能由多个相关变量组成）会使用不同的互斥量，每一线程在访问同一资源时将采用如下协议：
- 针对共享资源 锁定互斥量
- 访问 共享资源
- 对互斥量 解锁
-
如果多个线程试图执行这一块代码（一个临界区），事实上只有一个线程能够持有该 互斥量（其他线程将遭到阻塞），即同时只有一个线程能够进入这段代码区域，如下图所示：
-
互斥量相关操作函数
- 互斥量的类型
pthread_mutex_t
// 初始化互斥量 int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);// 释放互斥量的资源 int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);// 加锁，阻塞的，如果有一个线程加锁了，那么其他的线程只能阻塞等待 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);// 尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回。 int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 非阻塞// 解锁 int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);-
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);-
功能：初始化互斥量
-
参数：
mutex： 需要初始化的互斥量变量attr： 互斥量相关的属性，NULL
-
restrict: C语言的修饰符，被修饰的指针，不能由另外的一个指针进行操作。pthread_mutex_t *restrict mutex = xxx; pthread_mutex_t *mutex1 = mutex; // 错误
解决上面买票的问题
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h>// 全局变量，所有的线程都共享这一份资源。 int tickets = 1000;// 创建一个互斥量 pthread_mutex_t mutex;void * sellticket(void * arg) {// 卖票while(1) {// 加锁pthread_mutex_lock(&mutex);if(tickets > 0) {usleep(6000);printf("%ld 正在卖第 %d 张门票\n", pthread_self(), tickets);tickets--;}else {// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);break;}// 解锁pthread_mutex_unlock(&mutex);}return NULL; }int main() {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建3个子线程pthread_t tid1, tid2, tid3;pthread_create(&tid1, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, sellticket, NULL);pthread_create(&tid3, NULL, sellticket, NULL);// 回收子线程的资源,阻塞pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);pthread_join(tid3, NULL);pthread_exit(NULL); // 退出主线程// 释放互斥量资源pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0; } -
- 互斥量的类型
3.2.2 死锁
-
有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程 加锁 同一组互斥量 时，就有可能发生 死锁。
-
两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种 互相等待 的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。
-
死锁的几种场景：
- 忘记 释放锁
- 重复 加锁
- 多线程多锁，抢占锁资源
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <unistd.h>// 创建2个互斥量 pthread_mutex_t mutex1, mutex2;void * workA(void * arg) {pthread_mutex_lock(&mutex1);sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex2);printf("workA....\n");pthread_mutex_unlock(&mutex2);pthread_mutex_unlock(&mutex1);return NULL; }void * workB(void * arg) {pthread_mutex_lock(&mutex2);sleep(1);pthread_mutex_lock(&mutex1);printf("workB....\n");pthread_mutex_unlock(&mutex1);pthread_mutex_unlock(&mutex2);return NULL; }int main() {// 初始化互斥量pthread_mutex_init(&mutex1, NULL);pthread_mutex_init(&mutex2, NULL);// 创建2个子线程pthread_t tid1, tid2;pthread_create(&tid1, NULL, workA, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, workB, NULL);// 回收子线程资源pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);// 释放互斥量资源pthread_mutex_destroy(&mutex1);pthread_mutex_destroy(&mutex2);return 0; }
3.2.3 读写锁
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当有一个线程已经持有 互斥锁 时，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形，当前持有互斥锁的线程只是要 读访问 共享资源，而同时有其它几个线程也想 读取 这个共享资源，但是由于互斥锁的排它性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读访问共享资源了，但是实际上多个线程同时 读访问 共享资源并不会导致问题。
-
在对数据的读写操作中，更多的是 读操作，写操作较少，例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了 读写锁 来实现。
-
读写锁 的特点：
- 如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
- 如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
- 写是独占的，写的优先级高。
-
读写锁相关操作函数
- 读写锁 的类型
pthread_rwlock_t
// 初始化 int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);// 释放资源 int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);// 加读锁 int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加读锁// 加写锁 int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 尝试加写锁// 解锁 int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); - 读写锁 的类型
案例：8个线程 操作 同一个全局变量。
3个线程不定时 写 这个全局变量，5个线程不定时的 读 这个全局变量
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>// 创建一个共享数据
int num = 1;
// pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥锁
pthread_rwlock_t rwlock; // 定义读写锁void * writeNum(void * arg) {while(1) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);num++;printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(100);}return NULL;
}void * readNum(void * arg) {while(1) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("===read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);pthread_rwlock_unlock(&rwlock);usleep(100);}return NULL;
}int main() {pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);// 创建3个写线程，5个读线程pthread_t wtids[3], rtids[5];for(int i = 0; i < 3; i++) {pthread_create(&wtids[i], NULL, writeNum, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&rtids[i], NULL, readNum, NULL);}// 设置线程分离for(int i = 0; i < 3; i++) {pthread_detach(wtids[i]);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_detach(rtids[i]);}pthread_exit(NULL); // 主线程退出，子线程继续运行pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
}
3.3 生产者消费者模型
- 生产者消费者模型中的对象：
- 生产者（多个）
- 消费者（多个）
- 容器
当容器中已满，生产者停止生产，并通知消费者消费产品；
当容器中为空，消费者停止消费，并通知生产者生产产品。
-
生产者消费者模型（粗略的版本，先不考虑容器的容量）
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>// 创建一个互斥量 pthread_mutex_t mutex;struct Node{ // 链表节点int num;struct Node *next; };// 头结点 struct Node * head = NULL;void * producer(void * arg) { // 生产者// 不断的创建新的节点，添加到链表中while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));newNode->next = head;head = newNode;newNode->num = rand() % 1000; // 随机数printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);}return NULL; }void * customer(void * arg) { // 消费者while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 保存头结点的指针struct Node * tmp = head;// 判断是否有数据if(head != NULL) {// 有数据head = head->next;printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);} else {// 没有数据pthread_mutex_unlock(&mutex);}}return NULL; }int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程pthread_t ptids[5], ctids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) { // 线程分离pthread_detach(ptids[i]);pthread_detach(ctids[i]);}while(1) {sleep(10);}pthread_mutex_destroy(&mutex); // 线程退出，退出主线程pthread_exit(NULL);return 0; }存在的问题：当没有数据的时候，消费者 没有去通知 生产者生产，从而一直在循环加锁解锁，浪费了资源。
3.3.1 条件变量
条件变量 的类型 pthread_cond_t
- 条件变量 不是锁！
- 某个条件满足以后，可以 引起 / 解除 线程阻塞。
// 初始化
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
// 释放
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);// 等待，调用了该函数，线程会阻塞。 （当容器为空时，消费者停止消费，等待生产者生产）
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime); // 等待一定时间，调用了这个函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束。// 唤醒一个或者多个等待的线程（发一个信号，告诉消费者可以消费了）
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 广播，唤醒所有的等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
-
生产者消费者模型改进
#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h>// 创建一个互斥量 pthread_mutex_t mutex; // 创建条件变量 pthread_cond_t cond;struct Node{int num;struct Node *next; };// 头结点 struct Node * head = NULL;void * producer(void * arg) {// 不断的创建新的节点，添加到链表中while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));newNode->next = head;head = newNode;newNode->num = rand() % 1000;printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());// 只要生产了一个，就通知消费者消费pthread_cond_signal(&cond);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);}return NULL; }void * customer(void * arg) {while(1) {pthread_mutex_lock(&mutex);// 保存头结点的指针struct Node * tmp = head;// 判断是否有数据if(head != NULL) {// 有数据head = head->next;printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);usleep(100);} else {// 没有数据，需要等待// 当这个函数调用阻塞的时候，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞的，继续向下执行，会重新加锁。pthread_cond_wait(&cond, &mutex); pthread_mutex_unlock(&mutex); }}return NULL; }int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond, NULL);// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程pthread_t ptids[5], ctids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_detach(ptids[i]);pthread_detach(ctids[i]);}while(1) {sleep(10);}pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_cond_destroy(&cond);pthread_exit(NULL);return 0; }
3.3.2 信号量/灯
-
和条件变量类似，信号量的类型
sem_t- 灯亮：资源可用（每个产品可以比作一个灯）
- 灯灭：资源不可用
// 初始化信号量 int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value); // 释放资源 int sem_destroy(sem_t *sem);// 对信号量加锁，调用一次对信号量的值-1，如果值为0，就阻塞。（不是立马阻塞） int sem_wait(sem_t *sem); int sem_trywait(sem_t *sem); // 尝试阻塞，如果值为0，就阻塞 int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout); // 如果为0, 阻塞这么长（abs_timeout）时间// 对信号量解锁，调用一次对信号量的值+1 int sem_post(sem_t *sem); // 获取值 int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);-
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);- 初始化信号量
- 参数：
sem: 信号量变量的地址pshared:0用在 线程 间 ，非0用在 进程 间value: 信号量中的值
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man sem_init
在开发程序时，一般采用 多线程开发，因为多线程比较 轻量。
/* 伪代码sem_t psem; // 生产者的信号量sem_t csem; // 消费者的信号量init(psem, 0, 8);init(csem, 0, 0);producer() {sem_wait(&psem); // -1sem_post(&csem); // +1，通知消费者，可以消费一个了}customer() {sem_wait(&csem); // -1sem_post(&psem); // +1，通知生产者，可以生产一个了}*/#include <stdio.h> #include <pthread.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <semaphore.h>// 创建一个互斥量 pthread_mutex_t mutex; // 创建两个信号量 sem_t psem; // 生产者的 sem_t csem; // 消费者的struct Node{int num;struct Node *next; };// 头结点 struct Node * head = NULL;void * producer(void * arg) {// 不断的创建新的节点，添加到链表中while(1) {sem_wait(&psem);pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node));newNode->next = head;head = newNode;newNode->num = rand() % 1000;printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&csem);}return NULL; }void * customer(void * arg) {while(1) {sem_wait(&csem);pthread_mutex_lock(&mutex);// 保存头结点的指针struct Node * tmp = head;head = head->next;printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());free(tmp);pthread_mutex_unlock(&mutex);sem_post(&psem);}return NULL; }int main() {pthread_mutex_init(&mutex, NULL);sem_init(&psem, 0, 8);sem_init(&csem, 0, 0);// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程pthread_t ptids[5], ctids[5];for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);}for(int i = 0; i < 5; i++) {pthread_detach(ptids[i]);pthread_detach(ctids[i]);}while(1) {sleep(10);}pthread_mutex_destroy(&mutex);pthread_exit(NULL);return 0; }