Linux 多线程开发

一， 线程概述

1. 初识线程

与进程类似，线程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不同程序，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，以及堆内存段等。

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。

线程是轻量级的进程（LWP：Light Weight Process），在Linux环境下线程的本质仍然是进程。

查看指定进程的LWP号命令：ps -Lf pid。

示例：使用ps aux查看浏览器的进程pid=4227，然后使用ps -Lf 4227查看浏览器的LWP，有如下几个线程，它们的pid都是4227，而LWP都是不同的。说明每一个线程都有它自己对应的线程号。

2. 进程和线程的区别

• 进程间信息难以共享。除去只读代码段，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（如管道，有名管道，内存映射，信号，共享内存等）在进程间进行信息交换。
• 调用fork()创建进程的代价较高，即便利用写时复制机制，仍然需要复制像内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性，这意味这fork()调用在时间上的开销很大。
• 线程之间能够方便、快速地共享信息。只需要将数据复制到共享（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。线程间共享虚拟地址空间，无需采用写时复制来复制内存，也无需复制页表。

3. 线程之间共享和非共享的资源

4. NPTL

NPTL，Native POSIX Thread Library，是Linux线程的一个实现。线程开发相关的操作函数不是系统提供的函数，而是使用NPTL提供的一系列库函数，所以使用线程相关函数时，在编译或链接时需要加上-pthread或-lpthread，建议使用-pthread。

查看当前NPTL线程库版本：getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION

如下测试当前的NPTL版本为2.27。

二， 线程操作相关函数

在介绍多线程操作相关函数时先了解下主线程和子线程：

一般情况下，main函数所在线程称为主线程（main线程），创建的其余线程称为子线程。
程序中默认只有一个进程，fork()创建子进程后，会有2个进程；
程序中默认只有一个线程，pthread_create()调用后会产生2个线程；

多线程操作常用函数介绍：

当使用多线程函数pthread_*时，编译和链接需要使用 -lpthread或-pthread。

1. 创建线程

int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *sttr, void*(*start_routine) (void*), void *arg);  // 创建线程

pthread_create()函数介绍

使用示例：

/**
 * @file create_pthread.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 创建子线程示例
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-04
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

// 回调函数
void *callback1(void *arg)
{
    printf("tid: 0x%lx, child thread 1..., arg value = %d\n", pthread_self(), *(int *)arg);
    return NULL;
}

void *callback2(void *arg)
{
    printf("tid: 0x%lx, child thread 2..., arg value = %d\n", pthread_self(), *(int *)arg);
    return NULL;
}

int main()
{
    // 创建子线程
    pthread_t tid1, tid2;
    int num = 2;
    int ret = pthread_create(&tid1, NULL, callback1, (void *)&num);
    if (ret != 0)
    {
        printf("%s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    num = 5;
    ret = pthread_create(&tid2, NULL, callback2, (void *)&num);

    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        printf("%d\n", i);
    }

    sleep(1);

    return 0;
}

程序运行：

2. 终止线程

void pthread_exit(void *retval);

pthread_exit()函数介绍

终止线程示例：在主线程中执行pthread_exit()，那么该语句之后的语句就不会被执行。

/**
 * @file exit_pthread.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 终止线程示例
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-04
 *
 * `pthread_self()`：获取当前线程的线程ID
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

// 回调函数
void *callback1(void *arg)
{
    printf("tid : 0x%lx, child thread 1..., arg value = %d\n", pthread_self(), *(int *)arg);
    return NULL;  // 相当于pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    // 创建子线程
    pthread_t tid1, tid2;
    int num = 2;
    int ret = pthread_create(&tid1, NULL, callback1, (void *)&num);
    if (ret != 0)
    {
        printf("error : %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    // 主线程执行代码

    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        printf(" %d \n", i);
    }

    printf("tid : 0x%lx, main thread id : 0x%lx\n",tid1,pthread_self());

    // 主线程退出，主线程退出时，不会影响其它正常运行的线程
    pthread_exit(NULL);

    printf("main thread...\n");

    return 0;
}

程序运行，可以看到pthread_exit()后面的语句没有执行，没有打印main thread...。

3. 比较两个线程ID

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

pthread_equal()函数介绍

4. 连接已经终止的线程

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

pthread_join()函数介绍

回收子线程资源示例：

/**
 * @file join_thread.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 和已经终止的线程连接示例
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-04
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>

int value = 10;

// 回调函数
void *callback1(void *arg)
{
    printf("tid : 0x%lx, child thread 1..., arg value = %d\n", pthread_self(), *(int *)arg);
    sleep(3);

    pthread_exit((void *)&value); // 子线程退出，返回值为value = return (void*)&value;

    // return NULL; // 相当于pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    // 创建子线程
    pthread_t tid1, tid2;
    int num = 2;
    int ret = pthread_create(&tid1, NULL, callback1, (void *)&num);
    if (ret != 0)
    {
        printf("error : %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    // 主线程执行代码

    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        printf(" %d \n", i);
    }

    printf("tid : 0x%lx, main thread id : 0x%lx\n", tid1, pthread_self());

// 主线程调用pthread_join回收子线程资源
#if 0
	// 无返回值
    ret = pthread_join(tid1, NULL); // 默认阻塞
    if (ret != 0)
    {
        printf("error : %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
#else
	// 有返回值
    int *thread_retval;
    ret = pthread_join(tid1, (void **)&thread_retval);
    if (ret != 0)
    {
        printf("error : %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    printf("exit value : %d\n", *thread_retval);

#endif
    printf("回收子线程资源成功\n");

    // 主线程退出，主线程退出时，不会影响其它正常运行的线程
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

程序运行：

5. 线程分离

int pthread_detach(pthread_t thread);

pthread_detach()函数介绍

线程分离示例：

/**
 * @file detach_pthread.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 分离线程
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-04
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

void *callback(void *arg)
{
    printf("child thread id : 0x%lx\n", pthread_self());

    return NULL;
}

int main()
{
    // 创建子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_create: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    // 输出主线程和子线程id
    printf("tid : 0x%lx, main thread id : 0x%lx\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不需要主线程释放
    ret = pthread_detach(tid);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_detach: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    
    // 设置分离后对子线程连接
    ret = pthread_join(tid, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        // 输出会打印：pthread_join: Invalid argument
        printf("pthread_join: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

程序运行：

6. 线程取消

int pthread_cancel(pthread_t thread);

pthread_cancel()函数介绍

线程取消示例：

/**
 * @file cancel_pthread.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 取消线程
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-04
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

void *callback(void *arg)
{
    printf("child thread id : 0x%lx\n", pthread_self());
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        printf("child thread , %d\n", i);
    }
    return NULL;
}

int main()
{

    // 创建子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, NULL, callback, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_create: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    // 取消线程
    ret = pthread_cancel(tid);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_cancel: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        printf("%d\n", i);
    }
    // 输出主线程和子线程id
    printf("tid : 0x%lx, main thread id : 0x%lx\n", tid, pthread_self());

    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}

程序运行，第一次运行时，子线程还没运行完，因为触发了取消点，子线程终止了。

多线程开发步骤：

1. 创建线程：pthread_create();
2. 回收子线程资源，使用线程分离或者连接线程函数回收子线程资源；

三， 线程属性相关操作

线程属性相关步骤：

1. 声明属性变量；pthread_attr_t attr;
2. 初始化； pthread_attr_init()
3. 使用完销毁 pthread_attr_destroy()

属性变量声明：pthread_attr_t attr;
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);  // 初始化线程属性变量
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);  // 释放线程属性资源
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);  // 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

参数attr：属性变量;
参数detachstate：
PTHREAD_CREATE_DETACHED 线程分离
PTHREAD_CREATE_JOINABLE 加入线程，默认

示例：

/**
 * @file attr_pthread.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 线程属性相关
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-04
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

void *callback(void *arg)
{
    printf("child thread id : 0x%lx\n", pthread_self());
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf(" %d child thread, tid : 0x%lx\n", i, pthread_self());
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main()
{
    // 创建线程属性变量
    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); // 设置线程分离

    // 创建子线程
    pthread_t tid;
    int ret = pthread_create(&tid, &attr, callback, NULL);
    if (ret != 0)
    {
        printf("pthread_create: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }

    // 获取线程栈大小
    size_t stacksize;
    pthread_attr_getstacksize(&attr, &stacksize);
    printf("thread id : 0x%lx get stack size : %ld\n", pthread_self(), stacksize);

    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        printf("%d\n", i);
    }
    // 输出主线程和子线程id
    printf("tid : 0x%lx, main thread id : 0x%lx\n", tid, pthread_self());

    // 释放属性资源
    pthread_attr_destroy(&attr);
    printf("释放属性资源成功\n");
    // 退出主线程
    pthread_exit(NULL);
    return 0;
}

程序运行：

四， 线程同步

4.1. 初识线程同步

线程的主要优势在于能够通过全局变量来共享信息，但是这种共享也带来数据安全的问题：必须确保多个线程不会同时修改同一个变量，或者某一个线程不会读取正在由其它线程修改的变量。

临界区是指访问某一共享资源的代码片段，这段代码的执行应该为原子操作，也就是访问同一个共享资源的其它线程不应该中断该片段的执行。

线程同步：当有一个线程在对内存进行操作时，其它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，其它线程才能对该内存地址进行操作，而其它线程则处于等待状态。

线程同步会降低线程并发的效率，但线程同步是必须的。

示例：有一个简单售票系统，总共有100张票，有3个窗口售卖，使用多线程方式售票，使用前面提到的多线程开发相关函数，代码参考如下：

/**
* @file selltickets.c
* @author zoya (2314902703@qq.com)
* @brief 使用多线程实现卖票示例
* @version 0.1
* @@date: 2022-10-05
*
总共有100张票，三个窗口售卖

* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>

int tickets = 100;  // 所有线程共享这一份资源

void *selltickets(void *args)
{
    // 售票
    while (tickets > 0)
    {
        usleep(5000);
        printf("0x%lx 正在卖第%d张票\n", pthread_self(), tickets);
        tickets--;
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    printf("**************欢迎访问售票系统******************\n");
    // 创建子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, selltickets, NULL);

    // 回收子线程资源
#if 1
    // 阻塞回收子线程资源
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
#else
    // 设置线程分离
    pthread_detach(tid1);
    pthread_detach(tid2);
    pthread_detach(tid3);
#endif

    printf("**********************结束访问***********************\n");
    pthread_exit(NULL); //退出主线程

    return 0;
}

运行以上代码，会发现有问题，有的票卖了多次，还有卖了第0张和第-1张票，这显然是不符合实际的，这也是线程同步需要解决的问题。

4.2. 互斥量实现线程同步

互斥量也称为互斥锁。

为避免线程共享变量时出现问题，可以使用互斥量/互斥锁（mutex，mutual exclusion)来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源，可以使用互斥量保证对任意共享资源的原子访问。

互斥量有2种状态：已锁定（locked)和未锁定（unlocked）。任何时候，最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，对每一个共享资源（可能有多个共享变量）会使用不同的互斥量，每一个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一块代码（临界区），事实上只有一个线程持有该互斥量（其它线程将遭到阻塞），即同时只有一个线程能够进入这段代码区域。

要注意：解锁顺序要按照加锁的逆序。

4.2.1 互斥量操作相关函数

互斥量类型 pthread_mutex_t
int pthread_mutex_init(pthread_mutext_t *restrict mutex,const  pthread_mutexattr_t *restrict attr);  // 初始化互斥量
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutext_t *restrict mutex);  // 销毁互斥量
int pthread_mutex_lock(pthread_mutext_t *restrict mutex);  // 互斥量加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutext_t *restrict mutex);  // 尝试加锁
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutext_t *restrict mutex);  // 解锁

restrict是C语言修饰符，被修饰的指针不能由另外的指针进行操作。

互斥量操作步骤：

1. 声明互斥量变量：pthread_mutex_t mutex;
2. 初始化互斥量：pthread_mutex_init();
3. 释放互斥量：pthread_mutex_destroy()
4. 在访问共享资源前加锁，访问后解锁；

使用互斥量解决售票问题：

/**
* @file mutex.c
* @author zoya (2314902703@qq.com)
* @brief 使用互斥量实现线程同步示例
* @version 0.1
* @@date: 2022-10-05
*
总共有100张票，三个窗口售卖

* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>

int tickets = 1000; // 所有线程共享这一份资源

// 创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;

void *selltickets(void *args)
{
    // 售票

    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        if (tickets > 0)
        {
            printf("%ld 正在卖第%d张票\n", pthread_self(), tickets);
            tickets--;
        }
        else
        {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            break;
        }

        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    printf("**************欢迎访问售票系统******************\n");

    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建子线程
    pthread_t tid1, tid2, tid3;
    pthread_create(&tid1, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, selltickets, NULL);
    pthread_create(&tid3, NULL, selltickets, NULL);

    // 回收子线程资源
#if 1
    // 阻塞回收子线程资源
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    pthread_join(tid3, NULL);
#else
    // 设置线程分离
    pthread_detach(tid1);
    pthread_detach(tid2);
    pthread_detach(tid3);
#endif

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    printf("**********************结束访问***********************\n");
    pthread_exit(NULL); //退出主线程

    return 0;
}

程序运行如下：

4.2.2 死锁问题

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。

两个或两个以上的线程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，如果无外力作用，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。

可能产生死锁的几种场景：

• 忘记释放锁；
• 重复加锁；
• 多线程多锁，抢占锁资源；
  • 如下，有两个线程A和B，有两个共享变量M和N，在A中先对M加锁，然后对N加锁，在B中先对N加锁，然后对M加锁；那么就可能存在这种情况：A对M加了锁 → 进程调度CPU给到了B，B对N加锁，此时不论是A对N加锁，还是B对M加锁，都会阻塞，
    • A对N加锁阻塞，因为B已经对N加了锁，
    • B对M加锁阻塞，因为A对M已经加了锁

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 创建2个互斥量
pthread_mutex_t m1, m2;

void *callbackA(void *arg)
{
    printf("cakkback A....\n");
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&m1);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&m2);

    printf("callbackA...\n");

    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&m2);
    pthread_mutex_unlock(&m1);

    return NULL;
}

void *callbackB(void *arg)
{
    printf("cakkback B....\n");
    // 加锁
    pthread_mutex_lock(&m2);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&m1);

    printf("callbackB...\n");

    // 解锁
    pthread_mutex_unlock(&m1);
    pthread_mutex_unlock(&m2);
    return NULL;
}

int main()
{
    // 初始化互斥量
    pthread_mutex_init(&m1, NULL);
    pthread_mutex_init(&m2, NULL);

    // 创建子线程
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, callbackA, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, callbackB, NULL);

    // 回收子线程资源
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);

    // 释放互斥量
    pthread_mutex_destroy(&m1);
    pthread_mutex_destroy(&m2);

    return 0;
}

程序运行：

4.3. 读写锁

当有一个线程已经有加锁互斥量，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞。

但是需要考虑一种情况，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，所有其它的线程都无法获取锁，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，写操作比较少，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；

4.3.1 读写锁相关操作函数

读写锁类型 pthread_rwlock_t
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,const  pthread_rwlockattr_t *restrict attr);  // 初始化读写锁
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);  // 销毁读写锁
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);  // 读锁加锁
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);  // 读锁尝试加锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);  // 写锁加锁
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);  // 写锁尝试加锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *restrict rwlock);  // 解锁

• 如果man中没有pthread_rwlock_t相关信息，可以先安装 sudo apt-get install magpages-posix-dev；
• 使用过程中如果出现pthread_rwlock_t识别不到，可以在文件开始加上#define _XOPEN_SOURCE 500解决。

读写锁示例：

/**
* @file rwlock.c
* @author zoya (2314902703@qq.com)
* @brief 读写锁示例
* @version 0.1
* @@date: 2022-10-05
*

创建多个线程操作同一个全局变量，其中3个线程不定时写全局变量，其余5个不定时线程读全局变量

* @copyright Copyright (c) 2022
*
*/

#define _XOPEN_SOURCE 500

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 全局变量，共享数据
int num = 1;
// 读写锁
pthread_rwlock_t lock;

void *writenum(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_rwlock_wrlock(&lock);
        num++;
        printf("++write, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&lock);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *readnum(void *arg)
{
    while (1)
    {
        pthread_rwlock_rdlock(&lock);
        printf("---read, tid : %ld, num : %d\n", pthread_self(), num);
        pthread_rwlock_unlock(&lock);
        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    // 读写锁初始化
    pthread_rwlock_init(&lock, NULL);

    pthread_t wtids[3],
        rtids[5];

    // 创建线程
    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);

    // 释放锁
    pthread_rwlock_destroy(&lock);

    return 0;
}

4.4 生产者消费者模型

4.4.1 什么是生产者-消费者模型

简单的生产者-消费者模型可以理解为：产品存放在容器中，生产者生产产品后放到容器中，消费者从容器中取出产品。生产者和消费者分别是两个线程，容器相当于内存缓冲区。

从上面描述中可以知道生产者-消费者模型中的对象有生产者、消费者、容器。
在处理过程中可能会出现两个问题：

• 容器满了，生产者就不能再生产； 解决：通知消费者消费
• 容器空了，消费者就不能再消费； 解决：通知生产者生产

生产者-消费者模型特点：

1. 保证生产者不会在容器满的时候继续向容器放入数据，消费者不会在容器空的时候从容器中取出数据；
2. 当缓冲区满，生产者进入休眠状态（阻塞），当消费者开始消耗容器中的数据时，生产者被唤醒，开始向添加数据；
3. 当缓冲区空，消费者进入休眠状态（阻塞），当生产者向容器中放入数据时，消费者被唤醒，开始从容器中取出数据；

当然，可以使用互斥量使用生产者-消费者模型，参考代码如下：

/**
 * @file 2prodcust.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 生产者/消费者模型, 使用互斥量实现生产者-消费者模型
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-05
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

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

struct Node *g_head = NULL;
// 创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;

void *producer(void *arg)
{
    //  生产者，不断向容器中添加内容
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        struct Node *newnode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node)); // 创建新结点
        newnode->next = g_head;
        g_head = newnode;
        newnode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newnode->num, pthread_self());

        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *customer(void *arg)
{
    // 消费者，不断从容器中取出内容
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node *tmp = g_head; // 保存头结点的指针
        if (g_head != NULL)
        {
            g_head = g_head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }
        else
        {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    // 互斥量初始化
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    // 创建5个生产者和5个消费者线程，容器使用链表
    pthread_t prodtid[5], custtid[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_create(&prodtid[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&custtid[i], NULL, customer, NULL);
    }

    // 线程分离
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_join(prodtid[i], NULL);
        pthread_join(custtid[i], NULL);
    }

    while (1)
    {
        sleep(10);
    }

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

4.4.2 条件变量

使用互斥量实现生产者-消费者模型存在一定问题：在customer()函数中，假设有一个消费者线程拿到了CPU资源开始执行，此时容器中没有数据，那么该线程就会一直重复 加锁→判断是否为空→解锁，直到有生产者线程抢占到CPU资源开始生产数据。

void *customer(void *arg)
{
    // 消费者，不断从容器中取出内容
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node *tmp = g_head; // 保存头结点的指针
        if (g_head != NULL)
        {
            g_head = g_head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }
        else
        {
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }
    return NULL;
}

我们希望的是：如果消费者发现容器是空的，就立即通知生产者开始生产数据。可以使用条件变量实现这一机制。

条件变量不是锁，不能保证数据混乱的问题，条件变量在满足某个条件后可以引起阻塞线程或者解除线程阻塞。

条件变量类型 pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const  pthread_condattr_t *restrict attr);  // 初始化条件变量
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);  // 释放条件变量
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex);  // 等待，阻塞函数，调用后线程会阻塞 
int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *restrict cond,pthread_mutex_t *restrict mutex,cnost struct timespec *restrict abstime);  // 等待一定时间，调用后线程会阻塞，直到指定的时间结束
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);  // 唤醒等待的一个或多个线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t* cond);  // 唤醒所有等待的线程

调用pthread_cond_wait()函数阻塞后，会对互斥量解锁，当被唤醒，会重新加锁互斥量。

使用条件变量实现生产者-消费者模型参考代码：

/**
 * @file 3cond.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 条件变量实现生产者/消费者模型
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-05
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

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

struct Node *g_head = NULL;
// 创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;

// 创建条件变量
pthread_cond_t cond;

void *producer(void *arg)
{
    //  生产者，不断向容器中添加内容
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        struct Node *newnode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node)); // 创建新结点
        newnode->next = g_head;
        g_head = newnode;
        newnode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newnode->num, pthread_self());

        // 只要生产就通知消费者消费
        pthread_cond_signal(&cond);

        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        usleep(100);
    }

    return NULL;
}

void *customer(void *arg)
{
    // 消费者，不断从容器中取出内容
    while (1)
    {
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node *tmp = g_head; // 保存头结点的指针
        if (g_head != NULL)
        {
            g_head = g_head->next;
            printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
            free(tmp);
            // 解锁
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
            usleep(100);
        }
        else
        {
            // 没有数据,则等待生产者产生数据
            // 当调用pthread_cond_wait阻塞时，会对互斥锁进行解锁，当不阻塞时，会继续加锁
            pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
        }
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    // 互斥量初始化
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    // 初始化条件变量
    pthread_cond_init(&cond, NULL);

    // 创建5个生产者和5个消费者线程，容器使用链表
    pthread_t prodtid[5], custtid[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_create(&prodtid[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&custtid[i], NULL, customer, NULL);
    }

    // 线程分离
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_join(prodtid[i], NULL);
        pthread_join(custtid[i], NULL);
    }

    while (1)
    {
        sleep(10);
    }

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    // 释放条件变量
    pthread_cond_destroy(&cond);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

4.4.3 信号量

信号量主要是用于进程和线程间的同步，信号量保存一个整数值来的控制对资源的访问。
当值>0时，表示资源空闲可以访问；
当值=0时，表示资源分配完毕无法访问；
当值<0时，表示有至少一个线程正在等待资源；
如果信号量的值只为0或1，那么他就是一个二元信号量。

信号量不能保证多线程数据安全，保证多线程数据安全要使用互斥锁。

信号量的P-V操作：
信号量有两种操作：等待和发送信号，分别用P(s)和V(s)表示，
P(s) 如果s的值大于0，那么P(s)操作后s=s-1；如果s=0，那么就阻塞当前线程直到s变为非0值；
V(s) V(s)执行后s=s+1，如果有线程在阻塞等待s变为非零值，那么会唤醒该线程；

P-V操作不可分，因为不能对一个信号量一直加或者一直减。

POSIX信号量函数有以下：

信号量类型 sem_t
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);  // 初始化信号量  
int sem_destroy(sem_t *sem);  // 释放信号量
int sem_wait(sem_t *sem);  // 等待  对信号量-1，如果值为0，就阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem);  // 等待
int sem_timewait(sem_t *restrict cond, const struct timespec * abstime);  // 等待一定时间，调用后线程会阻塞，直到指定的时间结束
int sem_post(sem_t *cond);  // 对信号量+1
int sem_getvalue(sem_t* sem, int *sval);  // 获取信号量值

信号量使用步骤参考：

// 1. 声明信号量
sem_t psem,csem; 
//  2. 初始化信号量 
init(psem, 0, 8);  
init(csem, 0, 0);

// 生产者线程中对信号量操作，
producer()
{
    sem_wait(&psem);  // psem-1

    sem_post(&csem);  // csem+1
}
// 消费者线程对信号量操作
customer()
{
    sem_wait(&csem);  // csem-1

    sem_post(&psem);  // psem+1
}

如上信号量可以理解为psem关注的是容器中客房产品的空闲的位置有多少，csem关注的是容器中的产品有多少。
在生产者线程中，生产一个产品，空闲位置就少1个，所以psem-1，产品就多1个，所以csem+1；
在消费者线程中，取出一个产品，产品就少1个，所以csem-1，空闲位置就多1个，所以psem+1；

信号量实现生产者-消费者模型参考代码：

/**
 * @file 4semaphore.c
 * @author zoya (2314902703@qq.com)
 * @brief 信号量操作示例
 * @version 0.1
 * @@date: 2022-10-05
 *
 * @copyright Copyright (c) 2022
 *
 */
#define _XOPEN_SOURCE 500

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>

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

struct Node *g_head = NULL;
// 创建互斥量
pthread_mutex_t mutex;

// 创建信号量
sem_t psem, csem;

void *producer(void *arg)
{
    //  生产者，不断向容器中添加内容
    while (1)
    {
        // psem-1
        sem_wait(&psem);
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);

        struct Node *newnode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node)); // 创建新结点
        newnode->next = g_head;
        g_head = newnode;
        newnode->num = rand() % 1000;
        printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newnode->num, pthread_self());

        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sem_post(&csem); // csem+1
    }

    return NULL;
}

void *customer(void *arg)
{
    // 消费者，不断从容器中取出内容
    while (1)
    {
        sem_wait(&csem); // csem-1
        // 加锁
        pthread_mutex_lock(&mutex);
        struct Node *tmp = g_head; // 保存头结点的指针
        g_head = g_head->next;
        printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
        free(tmp);
        // 解锁
        pthread_mutex_unlock(&mutex);

        sem_post(&psem); // psem+1
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    // 互斥量初始化
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    // 初始化信号量
    sem_init(&psem, 0, 8);
    sem_init(&csem, 0, 0);

    // 创建5个生产者和5个消费者线程，容器使用链表
    pthread_t prodtid[5], custtid[5];
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_create(&prodtid[i], NULL, producer, NULL);
        pthread_create(&custtid[i], NULL, customer, NULL);
    }

    // 线程分离
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pthread_join(prodtid[i], NULL);
        pthread_join(custtid[i], NULL);
    }

    while (1)
    {
        sleep(10);
    }

    // 释放互斥量资源
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    sem_destroy(&psem);
    sem_destroy(&csem);

    pthread_exit(NULL);

    return 0;
}

思考一下：生产者和消费者中psem和csem位置能否换换呢？
应该是不行的，试想如果当前容器中没有数据，先执行了sem_post(&csem)，唤醒消费者线程，此时生产者中还没来得及加锁，CPU资源被消费者拿到了，开始从容器中取数据，但是容器是空的，此时就会产生错误。

文章参考：https://www.nowcoder.com/study/live/504。