多个进程同时访问某些资源时，必须考虑同步问题，以确保任一时刻只有一个进程可以拥有对资源的独占式访问。通常，程序对关键资源的访问代码只是很短的一段，我们称这段代码为关键代码段或者临界区，对进程同步，也就是确保任意时刻只能有一个进程进入关键代码段。

一、信号量

1.1、信号量原语

Dijkstra提出的信号量（Semaphore）概念是并发编程领域迈出的重要一步。对信号的操作只能是P和V，这两个字母来自荷兰语单词，一个是传递，一个是释放。

• P(SV)，如果SV的值大于0，就将它减1；如果SV的值为0，则挂起进程的执行。
• V(SV)，如果有其他进程因为等待SV而挂起，则唤醒之；如果没有，则将SV加1。

虽然信号量的取值可以是任意自然数，但是最常用的还是二进制信号量。使用二进制信号量同步两个进程，以确保关键代码段的独占式访问的一个典型例子如下：

当关键代码段可用时，二进制信号量SV的值为1，进程A和B都有机会进入关键代码段。如果此时进程A执行了P(SV)操作将SV减1，则进程B若再执行P(SV)操作就会被挂起。直到进程A离开关键代码段，并执行V(SV)操作将SV加1，关键代码段才重新变得可用。如果此时进程B因为等待SV而处于挂起状态，则它将被唤醒，并进入关键代码段。同样，这时进程A如果再执行P(SV)操作，则也只能被操作系统挂起以等待进程B退出关键代码段。

**注意：**使用一个普通变量是不能模拟信号量的，没有一个原子操作能一下子执行两步：检测变量为true还是false，如果是再将他设置为true或者false。

在作者写的手写操作系统的信号量实现部分，作者是使用关中断以确保原子操作的。但是关中断的代价很高…

1.2、semget系统调用

semget系统调用创建一个新的信号量集，或者获取一个已经存在的信号量集：

#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int num_sems, int sem_flags);

• key：用于标识信号量集的键值（key）。不同的信号量集需要不同的键值，相同的键值会返回同一个信号量集的标识符。
• num_sems：信号量集中包含的信号量数量。
• sem_flags：标志位，用于指定操作的行为。它低端的9个比特是该信号量的权限。还可以和 IPC_CREAT 结合来创建一个新的信号量集，或者和 IPC_EXCL 结合使用来确保只有当前进程创建了信号量集。

semget成功时返回一个正整数值，它是信号量集的标识符；semget失败时返回-1，并设置errno。

如果semget用于创建信号量集，则与之关联的内核数据结构体semid_ds将被创建并初始化。semid_ds结构体的定义如下：

#include <sys/sem.h>/*该结构体用于描述IPC对象（信号量、共享内存和消息队列）的权限*/
struct ipc_perm {key_t key;/*键值*/uid_t uid;/*所有者的有效用户ID*/gid_t gid;/*所有者的有效组ID*/uid_t cuid;/*创建者的有效用户ID*/gid_t cgid;/*创建者的有效组ID*/mode_t mode;/*访问权限*//*省略其他填充字段*/
}struct semid_ds {struct ipc_perm sem_perm;/*信号量的操作权限*/unsigned long int sem_nsems;/*该信号量集中的信号量数目*/time_t sem_otime;/*最后一次调用semop的时间*/time_t sem_ctime;/*最后一次调用semctl的时间*//*省略其他填充字段*/
};

1.3、semop系统调用

semop系统调用改变信号量的值，即执行P、V操作。先看一下与信号量关联的内核变量

unsigned short semval; /*信号量的值*/
unsigned short semzcnt;/*等待信号量值变为0的进程数量*/
unsigned short semncnt;/*等待信号量值增加的进程数量*/
pid_t sempid;          /*最后一次执行semop操作的进程ID*/

semop系统调用如下

#include <sys/sem.h>int semop(int sem_id, struct sembuf* sops, size_t nsops);

• sem_id：要操作的信号量集的标识符。

• nsops：要执行的操作数量，即 sops 数组中结构体的数量。

• sops：一个指向结构体数组的指针，每个结构体描述了对信号量的一个操作。结构体类型为 struct sembuf，定义如下

•   struct sembuf {unsigned short sem_num;  // 信号量的索引short sem_op;            // 操作类型：P 操作为 -1，V 操作为 1short sem_flg;           // 标志位，通常设置为 0};
  

• sem_flg的取值为IPC_NOWAIT和SEM_UNDO。IPC_NOWAIT的含义是，无论信号量操作是否成功，semop调用都将立即返回，这类似于非阻塞I/O操作。SEM_UNDO的含义是，当进程退出时取消正在进行的semop操作。

1.4、semctl系统调用

semctl系统调用允许调用者对信号量进行直接控制。其定义如下：

#include <sys/sem.h>int semctl(int sem_id, int sem_num, int cmd, ...);

参数说明：

• sem_id：要操作的信号量集的标识符。

• sem_num：被操作的信号量在信号量集中的编号，通常为 0。

• cmd：指定要执行的操作类型，可以是以下几种之一：

  • GETVAL：获取信号量的当前值。
  • SETVAL：设置信号量的值。
  • GETPID：获取上一个执行操作的进程的 PID。
  • GETNCNT：获取正在等待信号量值增加的进程数量。
  • GETZCNT：获取正在等待信号量值减少到 0 的进程数量。
  • IPC_RMID：删除信号量集。

• ...：根据不同的命令类型，可以接受额外的参数。但是有一个推荐格式

•   union semun {int val;/*用于SETVAL命令*/struct semid_ds*buf;/*用于IPC_STAT和IPC_SET命令*/unsigned short*array;/*用于GETALL和SETALL命令*/struct seminfo*__buf;/*用于IPC_INFO命令*/};struct seminfo {int semmap;/*Linux内核没有使用*/int semmni;/*系统最多可以拥有的信号量集数目*/int semmns;/*系统最多可以拥有的信号量数目*/int semmnu;/*Linux内核没有使用*/int semmsl;/*一个信号量集最多允许包含的信号量数目*/int semopm;/*semop一次最多能执行的sem_op操作数目*/int semume;/*Linux内核没有使用*/int semusz;/*sem_undo结构体的大小*/int semvmx;/*最大允许的信号量值*//*最多允许的UNDO次数（带SEM_UNDO标志的semop操作的次数）*/int semaem;}
  

semctl() 函数成功时返回一个非负整数，具体取决于所执行的命令。失败时返回 -1，并设置相应的错误码。

这些操作中，GETNCNT、GETPID、GETVAL、GETZCNT和SETVAL操作的是单个信号量，它是由标识符sem_id指定的信号量集中的第sem_num个信号量；而其他操作针对的是整个信号量集，此时semctl的参数sem_num被忽略。

1.5、特殊键值IPC_PRIVATE

semget的调用者可以给其key参数传递一个特殊的键值IPC_PRIVATE（其值为0），这样无论该信号量是否已经存在，semget都将创建一个新的信号量。使用该键值创建的信号量并非像它的名字声称的那样是进程私有的。其他进程，尤其是子进程，也有方法来访问这个信号量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/wait.h>union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short int *array;struct seminfo *__buf;
};/* P 操作和 V 操作函数 */
void pv(int sem_id, int op) {struct sembuf sem_b;sem_b.sem_num = 0;sem_b.sem_op = op;sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;semop(sem_id, &sem_b, 1);
}int main(int argc, char *argv[]) {int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666); // 创建一个包含一个信号量的信号量集if (sem_id == -1) {perror("semget");return 1;}union semun sem_un;sem_un.val = 1; // 设置信号量的初始值为 1semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_un); // 初始化信号量的值pid_t id = fork(); // 创建子进程if (id < 0) {perror("fork");return 1;} else if (id == 0) { // 子进程printf("Child process tries to acquire the binary semaphore.\n");pv(sem_id, -1); // 执行 P 操作printf("Child process acquired the semaphore and will release it after 5 seconds.\n");sleep(5);pv(sem_id, 1); // 执行 V 操作exit(0);} else { // 父进程printf("Parent process tries to acquire the binary semaphore.\n");pv(sem_id, -1); // 执行 P 操作printf("Parent process acquired the semaphore and will release it after 5 seconds.\n");sleep(5);pv(sem_id, 1); // 执行 V 操作}waitpid(id, NULL, 0); // 等待子进程结束semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_un); // 删除信号量集return 0;
}

二、互斥锁

互斥锁是线程同步最常用的一种方式，通过互斥锁可以锁定一个代码块, 被锁定的这个代码块, 所有的线程只能顺序执行(不能并行处理)，这样多线程访问共享资源数据混乱的问题就可以被解决了，需要付出的代价就是执行效率的降低，因为默认临界区多个线程是可以并行处理的，现在只能串行处理。

互斥锁可以看做是信号量的进一步封装。

在Linux中互斥锁的类型为pthread_mutex_t，创建一个这种类型的变量就得到了一把互斥锁：

pthread_mutex_t  mutex;

在创建的锁对象中保存了当前这把锁的状态信息：锁定还是打开，如果是锁定状态还记录了给这把锁加锁的线程信息（线程ID）。一个互斥锁变量只能被一个线程锁定，被锁定之后其他线程再对互斥锁变量加锁就会被阻塞，直到这把互斥锁被解锁，被阻塞的线程才能被解除阻塞。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。

2.1、初始化锁

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);

• mutex 是一个指向互斥锁对象的指针，用于指定要初始化的互斥锁。
• attr 是一个指向互斥锁属性对象的指针，用于指定互斥锁的属性。如果将 attr 参数设置为 NULL，则使用默认的互斥锁属性。

2.2、加锁

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);

这个函数被调用, 首先会判断参数 mutex 互斥锁中的状态是不是锁定状态:

• 没有被锁定, 是打开的, 这个线程可以加锁成功, 这个这个锁中会记录是哪个线程加锁成功了
• 如果被锁定了, 其他线程加锁就失败了, 这些线程都会阻塞在这把锁上
• 当这把锁被解开之后, 这些阻塞在锁上的线程就解除阻塞了，并且这些线程是通过竞争的方式对这把锁加锁，没抢到锁的线程继续阻塞

2.3、尝试加锁

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

调用这个函数对互斥锁变量加锁还是有两种情况:

• 如果这把锁没有被锁定是打开的，线程加锁成功
• 如果锁变量被锁住了，调用这个函数加锁的线程，不会被阻塞，加锁失败直接返回错误号，相当于加锁的非阻塞版本

2.4、解锁

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

不是所有的线程都可以对互斥锁解锁，哪个线程加的锁, 哪个线程才能解锁成功。

2.5、释放锁

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

释放锁和解锁不一样，解锁的话锁还在，只是解开了，释放锁是将锁占的系统资源释放，锁就不存在了。

2.6、互斥锁使用

两个进程共享一个计数器，使用互斥锁来保护对计数器的访问

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>// 创建互斥锁全局变量
pthread_mutex_t mutex_counter;
// 创建计数器
int counter = 0;// 线程函数，对计数器进行增加操作
void *thread_function(void *arg) {for (int i=0; i<10000; i++) {// 获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex_counter);// 对共享资源进行操作counter++;// 释放互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex_counter);}return NULL;
}int main() {// 线程pthread_t threads[2];// 初始化线程锁pthread_mutex_init(&mutex_counter, NULL);// 创建线程for (int i=0;i<2;i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, thread_function, NULL);}// 等待线程结束for (int i=0;i<2;i++) {pthread_join(threads[i],NULL);}// 释放锁pthread_mutex_destroy(&mutex_counter);// 输出计数值printf("counter = %d",counter);return 0;
}

三、死锁

当多个线程访问共享资源, 需要加锁, 如果锁使用不当, 就会造成死锁这种现象。如果线程死锁造成的后果是：所有的线程都被阻塞，并且线程的阻塞是无法解开的（因为可以解锁的线程也被阻塞了）。

3.1、加锁后不解锁

// 线程函数，对计数器进行增加操作
void *thread_function(void *arg) {for (int i=0; i<10000; i++) {// 获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex_counter);// 对共享资源进行操作counter++;}return NULL;
}

那么只能有一个线程拥有锁，且这个线程退出后，也没有线程能拿到锁

3.2、重复加锁

// 线程函数，对计数器进行增加操作
void *thread_function(void *arg) {for (int i=0; i<10000; i++) {// 获取互斥锁pthread_mutex_lock(&mutex_counter);pthread_mutex_lock(&mutex_counter);// 对共享资源进行操作counter++;// 释放互斥锁pthread_mutex_unlock(&mutex_counter);}return NULL;
}

第二次加锁的时候，发现已经加锁了，当前线程被阻塞，等待解锁

问题是加锁的是当前线程，等待解锁的也是当前线程，死锁！

3.3、多个锁导致相互阻塞

1. 有两个共享资源:X, Y，X对应锁A, Y对应锁B
   • 线程A访问资源X, 加锁A
   • 线程B访问资源Y, 加锁B
2. 线程A要访问资源Y, 线程B要访问资源X，因为资源X和Y已经被对应的锁锁住了，因此这个两个线程被阻塞
   • 线程A被锁B阻塞了, 无法打开A锁
   • 线程B被锁A阻塞了, 无法打开B锁

四、读写锁

读写锁是互斥锁的升级版, 在做读操作的时候可以提高程序的执行效率，如果所有的线程都是做读操作, 那么读是并行的，但是使用互斥锁，读操作也是串行的。

读写锁是一把锁，锁的类型为pthread_rwlock_t，有了类型之后就可以创建一把互斥锁了：

pthread_rwlock_t rwlock;

读写锁的特点：

• 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。

如果说程序中所有的线程都对共享资源做写操作，使用读写锁没有优势，和互斥锁是一样的，如果说程序中所有的线程都对共享资源有写也有读操作，并且对共享资源读的操作越多，读写锁更有优势。

4.1、初始化锁

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);

• rwlock: 读写锁的地址，传出参数
• attr: 读写锁属性，一般使用默认属性，指定为NULL

4.2、加读锁

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。

4.3、尝试加读锁

int pthread_rwlock_tryrdlock(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，调用这个函数加锁失败，对应的线程不会被阻塞，可以在程序中对函数返回值进行判断，添加加锁失败之后的处理动作。

4.4、加写锁

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。

4.5、尝试加写锁

int pthread_rwlock_trywrlock(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，调用这个函数加锁失败，但是线程不会阻塞，可以在程序中对函数返回值进行判断，添加加锁失败之后的处理动作。

4.6、解锁

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);

不管锁定了读还是写，都可以用这个解锁

4.7、释放锁

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

释放锁占的资源

4.8、读写锁使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>#define NUM_READERS 3
#define NUM_WRITERS 2
#define NUM_READ_ITERATIONS 5
#define NUM_WRITE_ITERATIONS 3// 共享资源
int shared_resource = 0;// 读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;// 读操作函数
void *reader(void *arg) {for (int i = 0; i < NUM_READ_ITERATIONS; i++) {// 加读锁pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);// 读取共享资源printf("Reader %ld read: %d\n", (long)arg, shared_resource);// 释放读锁pthread_rwlock_unlock(&rwlock);// 模拟读操作耗时usleep(100000);}return NULL;
}// 写操作函数
void *writer(void *arg) {for (int i = 0; i < NUM_WRITE_ITERATIONS; i++) {// 加写锁pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);// 写入共享资源shared_resource++;printf("Writer %ld wrote: %d\n", (long)arg, shared_resource);// 释放写锁pthread_rwlock_unlock(&rwlock);// 模拟写操作耗时usleep(200000);}return NULL;
}int main() {// 初始化读写锁if (pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL) != 0) {perror("Error: Unable to initialize read-write lock");exit(EXIT_FAILURE);}pthread_t readers[NUM_READERS];pthread_t writers[NUM_WRITERS];// 创建读线程for (long i = 0; i < NUM_READERS; i++) {if (pthread_create(&readers[i], NULL, reader, (void *)i) != 0) {perror("Error: Unable to create reader thread");exit(EXIT_FAILURE);}}// 创建写线程for (long i = 0; i < NUM_WRITERS; i++) {if (pthread_create(&writers[i], NULL, writer, (void *)i) != 0) {perror("Error: Unable to create writer thread");exit(EXIT_FAILURE);}}// 等待所有读线程结束for (int i = 0; i < NUM_READERS; i++) {pthread_join(readers[i], NULL);}// 等待所有写线程结束for (int i = 0; i < NUM_WRITERS; i++) {pthread_join(writers[i], NULL);}// 销毁读写锁pthread_rwlock_destroy(&rwlock);return 0;
}

五、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：

• 假设有A-Z 26个线程，这26个线程共同访问同一把互斥锁，如果线程A加锁成功，那么其余B-Z线程访问互斥锁都阻塞，所有的线程只能顺序访问临界区
• 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。

一般情况下条件变量用于处理生产者和消费者模型，并且和互斥锁配合使用。条件变量类型对应的类型为pthread_cond_t，这样就可以定义一个条件变量类型的变量了：

pthread_cond_t cond;

被条件变量阻塞的线程的线程信息会被记录到这个变量中，以便在解除阻塞的时候使用。

5.1、条件变量初始化

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);

• cond: 条件变量的地址
• attr: 条件变量属性, 一般使用默认属性, 指定为NULL

5.2、条件变量释放

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

销毁条件变量以释放资源

5.2、线程阻塞函数

5.2.1、一直阻塞

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);

通过函数原型可以看出，该函数在阻塞线程的时候，需要一个互斥锁参数，这个互斥锁主要功能是进行线程同步，让线程顺序进入临界区，避免出现数共享资源的数据混乱。该函数会对这个互斥锁做以下几件事情：

• 在阻塞线程时候，如果线程已经对互斥锁mutex上锁，那么会将这把锁打开，这样做是为了避免死锁
• 当线程解除阻塞的时候，函数内部会帮助这个线程再次将这个mutex互斥锁锁上，继续向下访问临界区

5.2.2、阻塞一段时间

// 表示的时间是从1971.1.1到某个时间点的时间, 总长度使用秒/纳秒表示
struct timespec {time_t tv_sec;      /* Seconds */long   tv_nsec;     /* Nanoseconds [0 .. 999999999] */
};
// 将线程阻塞一定的时间长度, 时间到达之后, 线程就解除阻塞了
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);

这个函数的前两个参数和pthread_cond_wait函数是一样的，第三个参数表示线程阻塞的时长。获得时间的方式麻烦一点

time_t mytim = time(NULL);	// 1970.1.1 0:0:0 到当前的总秒数
struct timespec tmsp;
tmsp.tv_nsec = 0;
tmsp.tv_sec = time(NULL) + 100;	// 线程阻塞100s

5.3、线程唤醒函数

// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 至少有一个被解除阻塞
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
// 唤醒阻塞在条件变量上的线程, 被阻塞的线程全部解除阻塞
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);

调用上面两个函数中的任意一个，都可以换线被pthread_cond_wait或者pthread_cond_timedwait阻塞的线程，区别就在于pthread_cond_signal是唤醒至少一个被阻塞的线程（总个数不定），pthread_cond_broadcast是唤醒所有被阻塞的线程。

5.4、生产者消费者示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>#define BUFFER_SIZE 5  // 缓冲区大小int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;  // 缓冲区中当前元素个数
int in = 0;     // 生产者放入数据的位置
int out = 0;    // 消费者取出数据的位置pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_full = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t not_empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;// 生产者函数
void *producer(void *arg) {int item;while (1) {item = rand() % 100;  // 生成一个随机数作为生产的数据pthread_mutex_lock(&mutex);while (count == BUFFER_SIZE) {printf("Buffer is full, producer is waiting...\n");pthread_cond_wait(&not_full, &mutex);}buffer[in] = item;printf("Produced: %d\n", item);in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;count++;pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_cond_signal(&not_empty);  // 通知消费者可以取数据了}return NULL;
}// 消费者函数
void *consumer(void *arg) {int item;while (1) {pthread_mutex_lock(&mutex);while (count == 0) {printf("Buffer is empty, consumer is waiting...\n");pthread_cond_wait(&not_empty, &mutex);}item = buffer[out];printf("Consumed: %d\n", item);out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;count--;pthread_mutex_unlock(&mutex);pthread_cond_signal(&not_full);  // 通知生产者可以继续生产了}return NULL;
}int main() {pthread_t producer_thread, consumer_thread;// 创建生产者和消费者线程pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);// 等待线程结束pthread_join(producer_thread, NULL);pthread_join(consumer_thread, NULL);return 0;
}