多线程和线程同步复习

进程线程区别

1. 进程是资源分配的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。
2. 进程有自己独立的地址空间, 多个线程共用同一个地址空间
3. 线程更加节省系统资源, 效率不仅可以保持的, 而且能够更高
   在一个地址空间中多个线程独享: 每个线程都有属于自己的栈区, 寄存器(内核中管理的)
   在一个地址空间中多个线程共享: 代码段, 堆区, 全局数据区, 打开的文件(文件描述符表)都是线程共享的
4. 线程是程序的最小执行单位, 进程是操作系统中最小的资源分配单位
   每个进程对应一个虚拟地址空间，一个进程只能抢一个CPU时间片
   一个地址空间中可以划分出多个线程, 在有效的资源基础上, 能够抢更多的CPU时间片
5. CPU的调度和切换: 线程的上下文切换比进程要快的多
6. 线程更加廉价, 启动速度更快, 退出也快, 对系统资源的冲击小。

创建线程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>// 子线程的处理代码
void* working(void* arg)
{printf("我是子线程, 线程ID: %ld\n", pthread_self());for(int i=0; i<9; ++i){printf("child == i: = %d\n", i);}return NULL;
}int main()
{// 1. 创建一个子线程pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, working, NULL);printf("子线程创建成功, 线程ID: %ld\n", tid);// 2. 子线程不会执行下边的代码, 主线程执行printf("我是主线程, 线程ID: %ld\n", pthread_self());for(int i=0; i<3; ++i){printf("i = %d\n", i);}// 休息, 休息一会儿...sleep(1);// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>> 让主线程休息一会给子线程运行return 0;
}

子线程被创建出来之后需要抢cpu时间片, 抢不到就不能运行，如果主线程退出了, 虚拟地址空间就被释放了, 子线程就一并被销毁了。
这里的解决方案，让子线程执行完毕, 主线程再退出, 可以在主线程中添加挂起函数 sleep();

线程退出

子线程退出这个地址空间是存在的不影响主线程，这个线程退出函数实际上是服务于主线程的。这个函数作用是让主线程退出后子线程继续执行，而不回收这块虚拟地址空间，当子线程退出后这块虚拟地址空间就会被操作系统回收。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>// 子线程的处理代码
void* working(void* arg)
{printf("我是子线程, 线程ID: %ld\n", pthread_self());for(int i=0; i<9; ++i){printf("child == i: = %d\n", i);}return NULL;
}int main()
{// 1. 创建一个子线程pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, working, NULL);printf("子线程创建成功, 线程ID: %ld\n", tid);pthread_exit(NULL);return 0;
}

可以看出来主线程退出后是不影响子线程的执行

线程回收

#include <pthread.h>
// 这是一个阻塞函数, 子线程在运行这个函数就阻塞
// 子线程退出, 函数解除阻塞, 回收对应的子线程资源, 类似于回收进程使用的函数 wait()
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

全局写法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>struct Test
{int num;int age;
};
struct Test t;
// 子线程的处理代码
void* working(void* arg)
{for(int i=0; i<5; ++i){printf("子线程:i = %d\n", i);}printf("子线程ID: %ld\n", pthread_self());//    struct Test t;  >>>>>>>>>>> errt.num=100;t.age=66;pthread_exit(&t);return NULL;
}
int main()
{pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, working, NULL);printf("主线程:%ld\n",pthread_self());void* ptr;pthread_join(tid,&ptr);struct Test* pt=(struct Test*)ptr;printf("num: %d,age = %d\n",pt->num,pt->age);return 0;
}

pthread_join(tid, &ptr); 的作用是等待子线程 tid 执行完毕，并将子线程通过 pthread_exit 返回的指针值保存到 ptr 中。

传参写法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>struct Test
{int num;int age;
};// 子线程的处理代码
void* working(void* arg)
{for(int i=0; i<5; ++i){printf("子线程:i = %d\n", i);}printf("子线程ID: %ld\n", pthread_self());struct Test *t=(struct Test*)arg;t->num=100;t->age=66;pthread_exit(&t);return NULL;
}int main()
{pthread_t tid;struct Test t;pthread_create(&tid, NULL, working, &t);// >>>> 把主线程的栈空间给了子线程printf("主线程:%ld\n",pthread_self());void* ptr;pthread_join(tid,&ptr);printf("num: %d,age = %d\n",t.num,t.age);// >>>>>直接打印即可return 0;
}

pthread_join 只是等待线程 tid 执行完成，并获取线程 tid 的返回值。此时并没有释放或销毁传递给线程的参数 t

线程分离

在某些情况下，程序中的主线程有属于自己的业务处理流程，如果让主线程负责子线程的资源回收，调用pthread_join()只要子线程不退出主线程就会一直被阻塞，主要线程的任务也就不能被执行了。
调用这个函数之后指定的子线程就可以和主线程分离，当子线程退出的时候，其占用的内核资源就被系统的其他进程接管并回收了
当主线程退出的时候如果子线程还在工作直接就没了，因为虚拟地址空间被释放了

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>// 子线程的处理代码
void* working(void* arg)
{printf("我是子线程, 线程ID: %ld\n", pthread_self());for(int i=0; i<9; ++i){printf("child == i: = %d\n", i);}return NULL;
}int main()
{// 1. 创建一个子线程pthread_t tid;pthread_create(&tid, NULL, working, NULL);printf("子线程创建成功, 线程ID: %ld\n", tid);// 2. 子线程不会执行下边的代码, 主线程执行printf("我是主线程, 线程ID: %ld\n", pthread_self());for(int i=0; i<3; ++i){printf("i = %d\n", i);}// 设置子线程和主线程分离pthread_detach(tid);// 让主线程自己退出即可pthread_exit(NULL);return 0;
}

子线程实际上被操作系统回收了

线程同步

线程同步并不是多个线程同时对内存进行访问，而是按照先后顺序依次进行的。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>#define MAX 50
// 全局变量
int number;// 线程处理函数
void* funcA_num(void* arg)
{for(int i=0; i<MAX; ++i){int cur = number;cur++;usleep(10);// >>>>>>>>>> 微秒number = cur;printf("Thread A, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);}return NULL;
}void* funcB_num(void* arg)
{for(int i=0; i<MAX; ++i){int cur = number;cur++;number = cur;printf("Thread B, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);usleep(5);}return NULL;
}int main(int argc, const char* argv[])
{pthread_t p1, p2;// 创建两个子线程pthread_create(&p1, NULL, funcA_num, NULL);pthread_create(&p2, NULL, funcB_num, NULL);// 阻塞，资源回收pthread_join(p1, NULL);pthread_join(p2, NULL);return 0;
}

这里创建了两个线程 funcA_num 和 funcB_num，它们分别对共享全局变量 number 进行加一操作并输出结果。然而，由于缺少对 number 的同步处理，会导致线程竞争，从而出现不一致的结果。这是因为在多线程环境中，number 的读写操作并不是原子性的，所以多个线程可能会对 number 进行相互覆盖的操作，导致不正确的输出结果。
具体解释：如果线程A执行这个过程期间就失去了CPU时间片，线程A被挂起了最新的数据没能更新到物理内存。线程B变成运行态之后从物理内存读数据，很显然它没有拿到最新数据，只能基于旧的数据往后数，然后失去CPU时间片挂起。线程A得到CPU时间片变成运行态，第一件事儿就是将上次没更新到内存的数据更新到内存，但是这样会导致线程B已经更新到内存的数据被覆盖，活儿白干了，最终导致有些数据会被重复数很多次。

同步方式

对于多个线程访问共享资源出现数据混乱的问题，需要进行线程同步。常用的线程同步方式有四种：互斥锁、读写锁、条件变量、信号量。所谓的共享资源就是多个线程共同访问的变量，这些变量通常为全局数据区变量或者堆区变量，这些变量对应的共享资源也被称之为临界资源。
通过锁机制能保证临界区代码最多只能同时有一个线程访问，这样并行访问就变为串行访问了。

互斥锁

一般情况下，每一个共享资源对应一个把互斥锁，锁的个数和线程的个数无关。

// 初始化互斥锁
// *******restrict: 是一个关键字, 用来修饰指针, 只有这个关键字修饰的指针可以访问指向的内存地址, 其他指针是不行的********
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
// 释放互斥锁资源            
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
// 尝试加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

互斥锁进行线程同步

加锁和解锁之间放的是临界区，加锁的是临界区的资源

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>#define MAX 50
// 全局变量
int number=0;
pthread_mutex_t mutex;// 线程处理函数
void* funcA_num(void* arg)
{for(int i=0; i<MAX; ++i){pthread_mutex_lock(&mutex);int cur = number;cur++;usleep(10);number = cur;pthread_mutex_unlock(&mutex);printf("Thread A, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);}return NULL;
}void* funcB_num(void* arg)
{for(int i=0; i<MAX; ++i){pthread_mutex_lock(&mutex);int cur = number;cur++;number = cur;pthread_mutex_unlock(&mutex);printf("Thread B, id = %lu, number = %d\n", pthread_self(), number);usleep(5);}return NULL;
}int main(int argc, const char* argv[])
{pthread_t p1, p2;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);// 创建两个子线程pthread_create(&p1, NULL, funcA_num, NULL);pthread_create(&p2, NULL, funcB_num, NULL);// 阻塞，资源回收pthread_join(p1, NULL);pthread_join(p2, NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

死锁

加锁之后忘记解锁
重复加锁, 造成死锁
在程序中有多个共享资源, 因此有很多把锁，随意加锁，导致相互被阻塞

读写锁

之所以称其为读写锁，是因为这把锁既可以锁定读操作，也可以锁定写操作
使用读写锁锁定了读操作，需要先解锁才能去锁定写操作，反之亦然
特性:
使用读写锁的读锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是并行的，读锁是共享的。
使用读写锁的写锁锁定了临界区，线程对临界区的访问是串行的，写锁是独占的。
使用读写锁分别对两个临界区加了读锁和写锁，两个线程要同时访问者两个临界区，访问写锁临界区的线程继续运行，访问读锁临界区的线程阻塞，因为写锁比读锁的优先级高。 >>>>>>>>>>>>>>>> 场景：读进程大于写进程数的时候

api细说

// 在程序中对读写锁加读锁, 锁定的是读操作
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);//调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；**如果读写锁已经锁定了读操作**，**调用这个函数依然可以加锁成功，因为读锁是共享的**；如果读写锁已经锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。// 在程序中对读写锁加写锁, 锁定的是写操作
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
//调用这个函数，如果读写锁是打开的，那么加锁成功；**如果读写锁已经锁定了读操作或者锁定了写操作，调用这个函数的线程会被阻塞。**

读写锁进行线程同步

8个线程操作同一个全局变量，3个线程不定时写同一全局资源，5个线程不定时读同一全局资源。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>// 全局变量
int number = 0;// 定义读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;// 写的线程的处理函数
void* writeNum(void* arg)
{while(1){pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);int cur = number;cur ++;number = cur;printf("++写操作完毕, number : %d, tid = %ld\n", number, pthread_self());pthread_rwlock_unlock(&rwlock);// 添加sleep目的是要看到多个线程交替工作sleep(rand() % 10);}return NULL;
}// 读线程的处理函数
// 多个线程可以如果处理动作相同, 可以使用相同的处理函数
// 每个线程中的栈资源是独享
void* readNum(void* arg)
{while(1){pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("--全局变量number = %d, tid = %ld\n", number, pthread_self());pthread_rwlock_unlock(&rwlock);sleep(rand() % 10);}return NULL;
}int main()
{// 初始化读写锁pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);// 3个写线程, 5个读的线程pthread_t wtid[3];pthread_t rtid[5];for(int i=0; i<3; ++i){pthread_create(&wtid[i], NULL, writeNum, NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&rtid[i], NULL, readNum, NULL);}// 释放资源for(int i=0; i<3; ++i){pthread_join(wtid[i], NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_join(rtid[i], NULL);}// 销毁读写锁pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
}

条件变量

严格意义上来说，条件变量的主要作用不是处理线程同步, 而是进行线程的阻塞。如果在多线程程序中只使用条件变量无法实现线程的同步, 必须要配合互斥锁来使用。虽然条件变量和互斥锁都能阻塞线程，但是二者的效果是不一样的，二者的区别如下：
条件变量只有在满足指定条件下才会阻塞线程，如果条件不满足，多个线程可以同时进入临界区，同时读写临界资源，这种情况下还是会出现共享资源中数据的混乱。

生产者消费者案例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>// 链表的节点
struct Node
{int number;struct Node* next;
};// 定义条件变量, 控制消费者线程
pthread_cond_t cond;
// 互斥锁变量
pthread_mutex_t mutex;
// 指向头结点的指针
struct Node * head = NULL;// 生产者的回调函数
void* producer(void* arg)
{// 一直生产while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);// 创建一个链表的新节点struct Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));// 节点初始化pnew->number = rand() % 1000;// 节点的连接, 添加到链表的头部, 新节点就新的头结点pnew->next = head;// head指针前移head = pnew;printf("+++producer, number = %d, tid = %ld\n", pnew->number, pthread_self());pthread_mutex_unlock(&mutex);// 生产了任务, 通知消费者消费pthread_cond_broadcast(&cond);// 生产慢一点sleep(rand() % 3);}return NULL;
}
// 消费者的回调函数
void* consumer(void* arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);// 一直消费, 删除链表中的一个节点while(head == NULL)   // 这样写有bug//   while(head == NULL){// 任务队列, 也就是链表中已经没有节点可以消费了// 消费者线程需要阻塞// 线程加互斥锁成功, 但是线程阻塞在这行代码上, 锁还没解开// 其他线程在访问这把锁的时候也会阻塞, 生产者也会阻塞 ==> 死锁// 这函数会自动将线程拥有的锁解开 >>>>>>>>>>>>>>>>> pthread_cond_wait(&cond, &mutex);// 当消费者线程解除阻塞之后, 会自动将这把锁锁上// 这时候当前这个线程又重新拥有了这把互斥锁}// 取出链表的头结点, 将其删除struct Node* pnode = head;printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());head  = pnode->next;free(pnode);pthread_mutex_unlock(&mutex);sleep(rand() % 3);}return NULL;
}int main()
{// 初始化条件变量pthread_cond_init(&cond, NULL);pthread_mutex_init(&mutex, NULL);// 创建5个生产者, 5个消费者pthread_t ptid[5];pthread_t ctid[5];for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&ptid[i], NULL, producer, NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&ctid[i], NULL, consumer, NULL);}// 释放资源for(int i=0; i<5; ++i){// 阻塞等待子线程退出pthread_join(ptid[i], NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_join(ctid[i], NULL);}// 销毁条件变量pthread_cond_destroy(&cond);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

问题解答

pthread_cond_wait(&cond, &mutex) 会在执行时释放锁，这是关键所在。
其它被这个消费者互斥锁阻塞的线程再这之后就会开始抢锁
消费者抢锁的操作是再pthread_cond_wait函数内部实现的
案例分析:前一个消费者消费完了链表为空，假设后面还有一个消费者被这个消费者阻塞后，此时生产者生产数据并调用 pthread_cond_broadcast(&cond) 唤醒所有等待的线程，由于前面一个消费者又一次消费完了，那个阻塞的消费者没有进行循环判断就接着消费就会发生段错误。

总结

不使用条件变量的生产者-消费者模型和使用条件变量的生产者-消费者模型
资源占用：使用条件变量的模型更高效，避免了不必要的 CPU 占用。
延迟：条件变量能更快地响应条件变化，不会因轮询间隔导致延迟。
代码复杂度：使用条件变量需要额外的代码来管理条件的等待和唤醒，但能提高性能。

信号量

信号量用在多线程多任务同步的，一个线程完成了某一个动作就通过信号量告诉别的线程，别的线程再进行某些动作。

信号量实现生产者消费者同步–>一个资源

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
// 链表的节点
struct Node
{int number;struct Node* next;
};
//信号量
sem_t semp;
sem_t semc;struct Node * head = NULL;void* producer(void* arg)
{while(1){sem_wait(&semp);struct Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));pnew->number = rand() % 1000;pnew->next = head;head = pnew;printf("+++producer, number = %d, tid = %ld\n", pnew->number, pthread_self());sem_post(&semc);sleep(rand() % 3);}return NULL;
}void* consumer(void* arg)
{while(1){sem_wait(&semc);struct Node* pnode = head;printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());head  = pnode->next;free(pnode);sem_post(&semp);sleep(rand() %3);}return NULL;
}
int main()
{//生产者sem_init(&semp,0,1);//资源只有一个，虽然线程很多但是都是被阻塞的//消费者 --> 资源初始化为0 sem_init(&semc,0,0);pthread_t ptid[5];pthread_t ctid[5];for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&ptid[i], NULL, producer, NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&ctid[i], NULL, consumer, NULL);}// 释放资源for(int i=0; i<5; ++i){// 阻塞等待子线程退出pthread_join(ptid[i], NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_join(ctid[i], NULL);}sem_destroy(&semp);sem_destroy(&semc);return 0;
}

信号量实现生产者消费者同步–>多个资源

假设资源数是>1的，此时如果多个生产者同时对链表进行添加数据这样是有问题的！
因此要通过锁来让这些线程线性执行

上面这种情况消费者是不能够通知消费者去生产的，此时生产者由于消费者都没通知所有生产者也阻塞了，这样的话就没有任何一个线程在工作–>问题大了！

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
// 链表的节点
struct Node
{int number;struct Node* next;
};
//信号量
sem_t semp;
sem_t semc;
pthread_mutex_t mutex;struct Node * head = NULL;void* producer(void* arg)
{while(1){sem_wait(&semp);pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node* pnew = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));pnew->number = rand() % 1000;pnew->next = head;head = pnew;printf("+++producer, number = %d, tid = %ld\n", pnew->number, pthread_self());pthread_mutex_lock(&mutex);sem_post(&semc);sleep(rand() % 3);}return NULL;
}void* consumer(void* arg)
{while(1){sem_wait(&semc);pthread_mutex_lock(&mutex);struct Node* pnode = head;printf("--consumer: number: %d, tid = %ld\n", pnode->number, pthread_self());head  = pnode->next;free(pnode);pthread_mutex_lock(&mutex);sem_post(&semp);sleep(rand() %3);}return NULL;
}int main()
{//生产者sem_init(&semp,0,5);//资源只有一个，虽然线程很多但是都是被阻塞的//消费者 --> 资源初始化为0 sem_init(&semc,0,0);pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_t ptid[5];pthread_t ctid[5];for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&ptid[i], NULL, producer, NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_create(&ctid[i], NULL, consumer, NULL);}// 释放资源for(int i=0; i<5; ++i){// 阻塞等待子线程退出pthread_join(ptid[i], NULL);}for(int i=0; i<5; ++i){pthread_join(ctid[i], NULL);}sem_destroy(&semp);sem_destroy(&semc);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

在生产者-消费者模型中会出现“解锁和通知消费者之间有生产者加锁”的情况