线程安全

对于一个单线程进程来说，它不需要处理线程同步的问题，所以线程同步是在多线程环境下可能需要注意的一个问题。线程的主要优势在于，资源的共享性，譬如通过全局变量来实现信息共享，不过这种便捷的共享是有代价的，那就是多个线程并发访问共享数据所导致的数据不一致的问题。

两个线程读写相同变量（共享变量、共享资源）的假设例子。在这个例子当中，线程 A 读取变量的值，然后再给这个变量赋予一个新的值，但写操作需要 2 个时钟周期（这里只是假设）；当线程 B 在这两个写周期中间读取了这个变量，它就会得到不一致的值，这就出现了数据不一致的问题。

如何解决对共享资源的并发访问出现数据不一致的问题？

Linux 系统提供了多种用于实现线程同步的机制，常见的方法有：
互斥锁、条件变量、自旋锁以及读写锁等

互斥锁

互斥锁（mutex）又叫互斥量，从本质上说是一把锁，在访问共享资源之前对互斥锁进行上锁，在访问完成后释放互斥锁（解锁）；对互斥锁进行上锁之后，任何其它试图再次对互斥锁进行加锁的线程都会被阻塞，直到当前线程释放互斥锁。如果释放互斥锁时有一个以上的线程阻塞，那么这些阻塞的线程会被唤醒，它们都会尝试对互斥锁进行加锁，当有一个线程成功对互斥锁上锁之后，其它线程就不能再次上锁了，只能再次陷入阻塞，等待下一次解锁。

互斥锁初始化

1、使用 PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER 宏初始化互斥锁
2、使用 pthread_mutex_init()函数初始化互斥锁

互斥锁加锁和解锁

调用函数 pthread_mutex_lock()可以对互斥锁加锁、获取互斥锁，而调用函数 pthread_mutex_unlock()可以对互斥锁解锁、释放互斥锁。

以下行为均属错误：
⚫ 对处于未锁定状态的互斥锁进行解锁操作；
⚫ 解锁由其它线程锁定的互斥锁。

当互斥锁已经被其它线程锁住时，调用 **pthread_mutex_lock()**函数会被阻塞，直到互斥锁解锁；如果线程不希望被阻塞，可以使用 pthread_mutex_trylock()函数；调用 pthread_mutex_trylock()函数尝试对互斥锁进行加锁，如果互斥锁处于未锁住状态，那么调用 pthread_mutex_trylock()将会锁住互斥锁并立马返回，如果互斥锁已经被其它线程锁住，调用 pthread_mutex_trylock()加锁失败，但不会阻塞，而是返回错误码 EBUSY。

销毁互斥锁

调用 pthread_mutex_destroy()函数来销毁互斥锁

⚫ 不能销毁还没有解锁的互斥锁，否则将会出现错误；
⚫ 没有初始化的互斥锁也不能销毁。

互斥锁死锁

如果一个线程试图对同一个互斥锁加锁两次，会出现什么情况？情况就是该线程会陷入死锁状态，一直被阻塞永远出不来；这就是出现死锁的一种情况，除此之外，使用互斥锁还有其它很多种方式也能产生死锁。有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又由不同的互斥锁管理。当超过一个线程对同一组互斥锁（两个或两个以上的互斥锁）进行加锁时，就有可能发生死锁；譬如，程序中使用一个以上的互斥锁，如果允许一个线程一直占有第一个互斥锁，并且在试图锁住第二个互斥锁时处于阻塞状态，但是拥有第二个互斥锁的线程也在试图锁住第一个互斥锁。因为两个线程都在相互请求另一个线程拥有的资源，所以这两个线程都无法向前运行，会被一直阻塞，于是就产生了死锁。

// 线程 A
pthread_mutex_lock(mutex1);
pthread_mutex_lock(mutex2);
// 线程 B
pthread_mutex_lock(mutex2);
pthread_mutex_lock(mutex1);

在我们的程序当中，如果用到了多个互斥锁，要避免此类死锁的问题.

最简单的方式就是定义互斥锁的层级关系，当多个线程对一组互斥锁操作时，总是应该按照相同的顺序对该组互斥锁进行锁定。譬如在上述场景中，如果两个线程总是先锁定 mutex1 在锁定 mutex2，死锁就不会出现。

使用 pthread_mutex_trylock()以不阻塞的方式尝试对互斥锁进行加锁，在这种方案中，线程先使用函数pthread_mutex_lock()锁定第一个互斥锁，然后使用 pthread_mutex_trylock()来锁定其余的互斥锁。如果任一pthread_mutex_trylock()调用失败（返回 EBUSY），那么该线程释放所有互斥锁，可以经过一段时间之后从头再试。与第一种按照层级关系来避免死锁的方法变比，这种方法效率要低一些，因为可能需要经历多次循环。

互斥锁的属性

如前所述，调用 pthread_mutex_init()函数初始化互斥锁时可以设置互斥锁的属性，通过参数 attr 指定。参数 attr 指向一个 pthread_mutexattr_t 类型对象，该对象对互斥锁的属性进行定义，当然，如果将参数 attr设置为 NULL，则表示将互斥锁属性设置为默认值。

当定义 pthread_mutexattr_t 对象之后，需要使用 pthread_mutexattr_init()函数对该对象进行初始化操作，当对象不再使用时，需要使用 pthread_mutexattr_destroy()将其销毁。可以使用 pthread_mutexattr_gettype()函数得到互斥锁的类型属性，使用 pthread_mutexattr_settype()修改/设置互斥锁类型属性。

• 普通互斥锁（PTHREAD_MUTEX_NORMAL）：
  这是默认类型。它不检测死锁情况，因此如果同一个线程多次加锁，会导致死锁（即锁永远无法释放）。在这种情况下，如果同一个线程尝试再次加锁，行为是未定义的。
• 错误检查互斥锁（PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK）：
  这种类型的互斥锁提供了错误检查机制。如果同一个线程尝试重复加锁，pthread 库会返回错误（EDEADLK）。此外，如果线程在未持有锁的情况下尝试解锁，也会返回错误。这种类型的互斥锁适合于需要确保线程安全的场景，并且希望能够检测到潜在的错误。
• 递归互斥锁（PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE）：
  这种类型的互斥锁允许同一个线程多次加锁而不会导致死锁。每次加锁都必须有相应的解锁，只有当最后一次解锁时，互斥锁才会被释放。适合于复杂的线程操作，尤其是在函数递归调用时可能需要再次锁定的场景。

条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量用于自动阻塞线程，知道某个特定事件发生或某个条件满足为止，通常情况下，条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。使用条件变量主要包括两个动作：
⚫ 一个线程等待某个条件满足而被阻塞；
⚫ 另一个线程中，条件满足时发出“信号”。

生产者—消费者模式，生产者这边负责生产产品、而消费者负责消费产品，对于消费者来说，没有产品的时候只能等待产品出来，有产品就使用它。

条件变量初始化

条件变量使用 pthread_cond_t 数据类型来表示

使用宏 PTHREAD_COND_INITIALIZER 或者使用函数 pthread_cond_init()

通知和等待条件变量

函数 pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()均可向指定的条件变量发送信号，通知一个或多个处于等待状态的线程。调用 pthread_cond_wait()函数是线程阻塞，直到收到条件变量的通知。

条件变量的主要操作便是发送信号（signal）和等待。发送信号操作即是通知一个或多个处于等待状态的线程，某个共享变量的状态已经改变，这些处于等待状态的线程收到通知之后便会被唤醒，唤醒之后再检查条件是否满足。等待操作是指在收到一个通知前一直处于阻塞状态。

在 pthread_cond_wait()函数内部会对参数 mutex 所指定的互斥锁进行操作，通常情况下，条件判断以及pthread_cond_wait()函数调用均在互斥锁的保护下，也就是说，在此之前线程已经对互斥锁加锁了。调用pthread_cond_wait()函数时，调用者把互斥锁传递给函数，函数会自动把调用线程放到等待条件的线程列表上，然后将互斥锁解锁；当 pthread_cond_wait()被唤醒返回时，会再次锁住互斥锁。

注意注意的是，条件变量并不保存状态信息，只是传递应用程序状态信息的一种通讯机制。如果调用pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()向指定条件变量发送信号时，若无任何线程等待该条件变量，这个信号也就会不了了之。当调用 pthread_cond_broadcast()同时唤醒所有线程时，互斥锁也只能被某一线程锁住，其它线程获取锁失败又会陷入阻塞。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
static pthread_mutex_t mutex; // 定义互斥锁
static pthread_cond_t cond;   // 定义条件变量
static int g_avail = 0;       // 全局共享资源
/* 消费者线程 */
static void *consumer_thread(void *arg)
{for (;;){pthread_mutex_lock(&mutex); // 上锁while (0 >= g_avail)pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 等待条件满足while (0 < g_avail)g_avail--;                // 消费pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁}return (void *)0;
}
/* 主线程（生产者） */
int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid;int ret;/* 初始化互斥锁和条件变量 */pthread_mutex_init(&mutex, NULL);pthread_cond_init(&cond, NULL);/* 创建新线程 */ret = pthread_create(&tid, NULL, consumer_thread, NULL);if (ret){fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));exit(-1);}for (;;){pthread_mutex_lock(&mutex);   // 上锁g_avail++;                    // 生产pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁pthread_cond_signal(&cond);   // 向条件变量发送信号}exit(0);
}

全局变量 g_avail 作为主线程和新线程之间的共享资源，两个线程在访问它们之间首先会对互斥锁进行上锁，消费者线程中，当判断没有产品可被消费时（g_avail <= 0），调用 pthread_cond_wait()使得线程陷入等待状态，等待条件变量，等待生产者制造产品；调用 pthread_cond_wait()后线程阻塞并解锁互斥锁；而在生产者线程中，它的任务是生产产品（使用g_avail++来模拟），产品生产完成之后，调用pthread_mutex_unlock()将互斥锁解锁，并调用 pthread_cond_signal()向条件变量发送信号；这将会唤醒处于等待该条件变量的消费者线程，唤醒之后再次自动获取互斥锁，然后再对产品进行消费（g_avai–模拟）。

条件变量的判断条件

在这份示例代码中，我们使用了 while 循环、而不是 if 语句，来控制对 pthread_cond_wait()的调用，这是为何呢？
必须使用 while 循环，而不是 if 语句，这是一种通用的设计原则：当线程从 pthread_cond_wait()返回时，并不能确定判断条件的状态，应该立即重新检查判断条件，如果条件不满足，那就继续休眠等待。

从 pthread_cond_wait()返回后，并不能确定判断条件是真还是假，其理由如下：
⚫ 当有多于一个线程在等待条件变量时，任何线程都有可能会率先醒来获取互斥锁，率先醒来获取到互斥锁的线程可能会对共享变量进行修改，进而改变判断条件的状态。譬如示例代码 12.3.2 中，如果有两个或更多个消费者线程，当其中一个消费者线程从 thread_cond_wait()返回后，它会将全局共享变量 g_avail 的值变成 0，导致判断条件的状态由真变成假。
⚫ 可能会发出虚假的通知。

自旋锁

自旋锁与互斥锁很相似，从本质上说也是一把锁，在访问共享资源之前对自旋锁进行上锁，在访问完成后释放自旋锁（解锁）；事实上，从实现方式上来说，互斥锁是基于自旋锁来实现的，所以自旋锁相较于互斥锁更加底层。
如果在获取自旋锁时，自旋锁已经处于锁定状态了，那么获取锁操作将会在原地“自旋”，直到该自旋锁的持有者释放了锁。

再来总结下自旋锁与互斥锁之间的区别：
⚫ 实现方式上的区别：互斥锁是基于自旋锁而实现的，所以自旋锁相较于互斥锁更加底层；
⚫ 开销上的区别：获取不到互斥锁会陷入阻塞状态（休眠），直到获取到锁时被唤醒；而获取不到自旋锁会在原地“自旋”，直到获取到锁；休眠与唤醒开销是很大的，所以互斥锁的开销要远高于自旋锁、自旋锁的效率远高于互斥锁；但如果长时间的“自旋”等待，会使得 CPU 使用效率降低，故自旋锁不适用于等待时间比较长的情况。
⚫ 使用场景的区别：自旋锁在用户态应用程序中使用的比较少，通常在内核代码中使用比较多；因为自旋锁可以在中断服务函数中使用，而互斥锁则不行，在执行中断服务函数时要求不能休眠、不能被抢占（内核中使用自旋锁会自动禁止抢占），一旦休眠意味着执行中断服务函数时主动交出了CPU 使用权，休眠结束时无法返回到中断服务函数中，这样就会导致死锁！

自旋锁初始化

当定义自旋锁后，需要使用 pthread_spin_init()函数对其进行初始化，当不再使用自旋锁时，调用 pthread_spin_destroy()函数将其销毁.

自旋锁加锁和解锁

可以使用 pthread_spin_lock()函数或 pthread_spin_trylock()函数对自旋锁进行加锁，前者在未获取到锁时一直“自旋”；对于后者，如果未能获取到锁，就立刻返回错误，错误码为 EBUSY。不管以何种方式加锁，自旋锁都可以使用 pthread_spin_unlock()函数对自旋锁进行解锁。

读写锁

互斥锁或自旋锁要么是加锁状态、要么是不加锁状态，而且一次只有一个线程可以对其加锁。读写锁有3 种状态：读模式下的加锁状态（以下简称读加锁状态）、写模式下的加锁状态（以下简称写加锁状态）和不加锁状态。一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁。

读写锁有如下两个规则：
⚫ 当读写锁处于写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁进行加锁操作（不管是以读模式加锁还是以写模式加锁）的线程都会被阻塞。
⚫ 当读写锁处于读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以加锁成功；但是任何以写模式对它进行加锁的线程都会被阻塞，直到所有持有读模式锁的线程释放它们的锁为止。

虽然各操作系统对读写锁的实现各不相同，但当读写锁处于读模式加锁状态，而这时有一个线程试图以写模式获取锁时，该线程会被阻塞；而如果另一线程以读模式获取锁，则会成功获取到锁，对共享资源进行读操作。

读写锁初始化

读写锁的初始化可以使用宏 PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 或者函数pthread_rwlock_init()
当读写锁不再使用时，需要调用pthread_rwlock_destroy()函数将其销毁

读写锁上锁和解锁

以读模式对读写锁进行上锁，需要调用 pthread_rwlock_rdlock()函数；以写模式对读写锁进行上锁，需要调用 pthread_rwlock_wrlock()函数。不管是以何种方式锁住读写锁，均可以调用 pthread_rwlock_unlock()函数解锁。

当读写锁处于写模式加锁状态时，其它线程调用 pthread_rwlock_rdlock()或 pthread_rwlock_wrlock()函数均会获取锁失败，从而陷入阻塞等待状态；当读写锁处于读模式加锁状态时，其它线程调用pthread_rwlock_rdlock()函数可以成功获取到锁，如果调用 pthread_rwlock_wrlock()函数则不能获取到锁，从而陷入阻塞等待状态。如果线程不希望被阻塞，可以调用 pthread_rwlock_tryrdlock()和 pthread_rwlock_trywrlock()来尝试加锁，如果不可以获取锁时。这两个函数都会立马返回错误，错误码为 EBUSY。

读写锁的属性

读写锁与互斥锁类似，也是有属性的，读写锁的属性使用 pthread_rwlockattr_t 数据类型来表示，当定义pthread_rwlockattr_t 对象时，需要使用 pthread_rwlockattr_init()函数对其进行初始化操作，初始化会将pthread_rwlockattr_t 对象定义的各个读写锁属性初始化为默认值；当不再使用 pthread_rwlockattr_t 对象时，需要调用 pthread_rwlockattr_destroy()函数将其销毁

读写锁只有一个属性，那便是进程共享属性。函 数 pthread_rwlockattr_getpshared() 用于 从pthread_rwlockattr_t 对象中获取共享属性，函数 pthread_rwlockattr_setpshared()用于设置 pthread_rwlockattr_t对象中的共享属性

⚫ PTHREAD_PROCESS_SHARED：共享读写锁。该读写锁可以在多个进程中的线程之间共享；
⚫ PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：私有读写锁。只有本进程内的线程才能够使用该读写锁，这是读写锁共享属性的默认值。

我的问题？
关于多线程中，线程栈，堆的分配情况是如何的？
堆内存：线程可以动态分配内存（使用 malloc 或 new 等），并将其存储在堆中。所有线程可以访问这些堆分配的内存，通常适用于共享数据。
栈内存：每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量和函数调用信息。栈的大小在创建线程时可以指定，通常与线程的生命周期有关。栈中的数据对其他线程不可见，保证了线程间的局部变量独立性。