线程并发编程，同步与互斥机制

线程

概念

线程是一个轻量级的进程，为了提高系统的性能引入线程。

线程和进程都参与统一的调度。

在同一个进程中可以创建多个线程，并且共享进程资源。

进程和线程区别(面试题)

相同点：都为操作系统提供了并发执行的能力

不同点：

资源和调度：进程是系统资源分配的最小单位，线程是资源调度的最小单位

地址空间方面：每个进程都有独立的地址空间；同一个进程中的多个线程共享进程地址空间

通信方面：线程通信相对简单，只需要通过全局变量就可以实现，但是需要考虑临界资源访问的问题; 进程通信比较复杂，需要借助进程间的通信机制(3-4g的内核空间)。

安全性方面：线程安全性差一些，当进程结束时会导致所有线程退出; 进程相对安全。

线程资源

共享的资源：可执行的指令、静态数据、进程中打开的文件描述符、信号处理函数、当前工作目录、用户ID、用户组ID

私有的资源：线程ID (TID)、PC(程序计数器)和相关寄存器、堆栈(局部变量, 返回地址)、错误号 (errno)、信号掩码和优先级、执行状态和属性

函数接口

创建线程：pthread_create

#include<pthread.h>intpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);功能：创建线程参数：thread:线程标识attr：线程属性，NULL代表设置默认属性start_routine：函数名：代表线程函数(自己写)arg：用来给前面函数传参返回值：成功：0失败：错误码编译的时候需要加-lpthread 链接动态库

退出线程：pthread_exit

#include<pthread.h>voidpthread_exit(void*retval);功能：用于退出线程的执行参数：retval:线程退出时返回的值

#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>void *handler(void *arg){printf("in the thread\n");pthread_exit(NULL); // 让线程退出while(1);return NULL;}int main(int argc, char const *argv[]){pthread_t tid;if(pthread_create(&tid, NULL, handler, NULL) != 0){perror("create thread err");}// 主线程printf("in the main\n");while(1);return 0;}

回收线程资源

#include <pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);功能：用于等待一个指定的线程结束，阻塞函数参数：thread：创建的线程对象，线程IDretval：指针*value_ptr指向线程返回的参数，一般为NULL返回值：成功：0失败：errnoint pthread_detach(pthread_t thread);功能：让线程结束时自动回收线程资源,让线程和主线程分离,非阻塞函数参数：thread：线程ID非阻塞式的，例如主线程分离(detach)了线程T2，那么主线程不会阻塞在pthread_detach()，pthread_detach()会直接返回，线程T2终止后会被操作系统自动回收资源

#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>void *handler(void *arg){printf("in the thread\n");sleep(2);pthread_exit(NULL); // 让线程退出while(1);return NULL;}int main(int argc, char const *argv[]){pthread_t tid;if(pthread_create(&tid, NULL, handler, NULL) != 0){perror("create thread err");}// pthread_join(tid, NULL); // 阻塞等待指定线程退出回收资源pthread_detach(tid); // 非阻塞,让指定的线程为分离态,结束时自动回收资源// 主线程printf("in the main\n");while(1);return 0;}

练习：输入输出，quit结束

通过线程实现数据的交互，主线程循环从终端输入，线程函数将数据循环输出，当输入quit结束程序。

1. 全局变量
2. 加上标志位(flag)，实现主线程输入一次修改标志位，从线程打印一次也修改标志位， int flag=0;

#include <stdio.h>#include <pthread.h>#include <unistd.h>#include <string.h>char buf[32] = {};int flag = 0;void *handler(void *arg){while (1){if (flag == 1){if (!strcmp(buf, "quit"))break;printf("%s\n", buf);flag = 0;}}return NULL;}int main(int argc, char const *argv[]){pthread_t tid;if (pthread_create(&tid, NULL, handler, NULL) != 0){perror("create thread err");}while (1){scanf("%s", buf);flag = 1;if (!strcmp(buf, "quit"))break;}pthread_join(tid, NULL);return 0;}

在应用层中有这两个概念：

同步：现在有两件事都是你应该去做的事情，那么这两件事是不是有先后的顺序

异步：我在做一件事情的同时还可以去做另一件事情

线程同步

概念：

多个线程(任务)按照约定的顺序相互配合完成一件事情

同步机制：

通过信号量实现线程同步

信号量：通过信号量实现同步操作； 由信号量来决定线程继续运行还是阻塞等待。

信号量：代表一类资源，其值可以表示系统中该资源的数量。

信号量的值>0： 表示有资源可以用，可以申请到资源。

信号量的值<=0: 表示没有资源可以用，无法申请到资源，阻塞。

信号量：还是受保护的变量，只能通过三种操作来访问：初始化，P操作(申请资源)，V操作（释放资源）

sem_init：信号量初始化

sem_wait：申请资源，P操作，如果没有资源可用则阻塞，否则就申请到资源 -1

sem_post：释放资源，V操作，非阻塞，+1

int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)功能：初始化信号量参数：sem：初始化的信号量对象pshared：信号量共享的范围(0: 线程间使用 非0:1进程间使用)value：信号量初值返回值：成功 0失败 -1int sem_wait(sem_t *sem)功能：申请资源 P操作参数：sem：信号量对象返回值：成功 0失败 -1注：此函数执行过程，当信号量的值大于0时，表示有资源可以用，则继续执行，同时对信号量减1；当信号量的值等于0时，表示没有资源可以使用，函数阻塞int sem_post(sem_t *sem)功能：释放资源 V操作参数：sem：信号量对象返回值：成功 0失败 -1注：释放一次信号量的值加1，函数不阻塞

#include <stdio.h>#include <semaphore.h>int main(int argc, char const *argv[]){sem_t sem;if(sem_init(&sem, 0, 1) < 0){perror("sem init err");return -1;}// 申请资源 -> P操作sem_wait(&sem);printf("hello\n");// 释放资源sem_post(&sem);sem_wait(&sem); // 没有释放资源,会进入阻塞状态printf("world\n");return 0;}

线程互斥

互斥概念

多个线程访问临界资源时，同一时间只能一个线程访问

临界资源：多个线程共同访问的数据，且一次仅允许一个线程所使用的资源

通过互斥锁可以实现互斥机制，主要用来保护临界资源，每个临界资源都由一个互斥锁来保护，线程必须先获得互斥锁才能访问临界资源，访问完资源后释放该锁。如果无法获得锁，线程会阻塞直到获得锁为止。

互斥锁的操作方式：初始化

申请锁(上锁) ：阻塞

当申请不到锁时(表示：锁被其它线程占用)，是阻塞的

释放锁(解锁) ：非阻塞

注意：上锁和解锁需要成对存在

函数接口

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexattr_t *attr)功能：初始化互斥锁参数：mutex：互斥锁attr: 互斥锁属性 // NULL表示缺省属性返回值：成功 0失败 -1int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)功能：申请互斥锁参数：mutex：互斥锁返回值：成功 0失败 -1注：和pthread_mutex_trylock区别：pthread_mutex_lock是阻塞的；pthread_mutex_trylock不阻塞，如果申请不到锁会立刻返回int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)功能：释放互斥锁参数：mutex：互斥锁返回值：成功 0失败 -1int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)功能：销毁互斥锁参数：mutex：互斥锁

补充：死锁

是指两个或两个以上的进程或线程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。

死锁产生的四个必要条件

1、互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用

2、不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放。

3、请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。

1. 循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。

注意：当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。