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Linux——线程（3）线程同步

news 来源：原创 2025/5/10 10:13:27

一、线程同步的引入

通过上面的抢票系统我们发现，有的线程，进行工作（挂锁），当其马上结束工作（解锁），发现外面有很多线程在排队等着加锁执行任务，这个线程解锁后就立马给自己加锁（可以想象成自己能直到解锁的时间，所以加锁的优势比其他线程大），但是如果这个线程本身并没有做什么工作，就会使工作效率低下，线程饥饿等问题。

为了解决这个问题，我们规定：所有线程等待加锁必须排队，加锁的线程解锁后必须排在队尾等待下一次加锁，这样就能保证所有线程都可以执行任务。这就是线程同步。

二、条件变量

条件变量与互斥锁的相关接口几乎完全相同，在这里就不多介绍语法了。

但也有些新的接口。

我们用一个场景来介绍一下这些接口是怎么用的。

我们现在有一个主线程和若干个新线程（共用一个锁）

主线程负责派发任务，新线程负责执行（如果不派发就无法执行）

所以，当一个线程拿到锁进行查看时，如果发现有任务就执行，但如果发现任务还没派发，就会去某个条件变量那里进行等待（pthread_cond_wait接口），后面的线程也是如此，这里是在条件变量这的等待队列（先进先出）。在等待过程中就不会一直的申请加锁而阻止主线程派发任务了。在所有新线程等待的情况下，当主线程加锁后派发任务后，会通知（唤醒）第一个开始等待的新线程，让它去加锁执行任务（pthread_cond_signal接口)，同时，主线程也可以一次唤醒多个线程，让他们去抢夺该资源（pthread_cond_broadcast接口），这便是这些接口的使用方法。

三、生产者消费者模型

对于多线程并发的情况，我们可以用生产者消费者模型来解释一下。

首先，我们把主线程称为生产者，可以视为派发任务方，然后多个新线程称为消费者，视为取得任务并执行任务。在二者之间，有一个桥梁——共享或临界资源。那么生产者就会对这份资源进行派发任务的行为，其他消费者要执行任务时，并不会直接向生产者询问索取，而是直接访问该临界资源、上锁并执行。通过这个临界资源，我们就可以讲生产和消费进行解耦了。同时，临界资源可以作为媒介，当生产者派发任务多时可以间接通知消费者并增加消费者数量，反之则减少。

而在这个模型中，我们需要研究多个生产与多个消费的同步互斥关系。

首先，生产者与生产者之间是互斥的，毕竟从现实角度考虑，我派发了就不允许你派发。

消费者与消费者之间也是互斥的，如果任务很少而线程很多时，就会出现我抢到任务了而别人都没抢到。

还有就是生产者与消费者，他们是既互斥又同步的，互斥在于，生产者在派发任务时不允许消费者进来枪任务干扰生产者，而消费者在抢任务时也不许生产者发任务干扰。同步在于，生产者派发任务时，虽然无法抢，但消费者们可以进行排队等待，而对于生产者们也是一样的。

总结就是：2个角色，3个关系，1个交易场所。

有了这个模型，我们就可以把条件变量的接口来解释了。

首先

wait就相当于创建该媒介，让线程在该阻塞队列中等待。signal就是叫醒排在最前面的一个线程执行，broadcast就是一次唤醒所有在队列的线程。

至于wait的接口为什么还要把锁传进去呢？——在线程进入等待的时候要解锁！即解锁与等待是原子性操作。

条件等待是线程间同步的⼀种手段，如果只有⼀个线程，条件不满足，⼀直等下去都不会满足，所以必须要有⼀个线程通过某些操作，改变共享变量，使原先不满足的条件变得满足，并且友好的通知等待在条件变量上的线程。条件不会无缘无故的突然变得满足了，必然会牵扯到共享数据的变化。所以一定要用互斥锁来保护。没有互斥锁就无法安全的获取和修改共享数据。由于解锁和等待不是原子操作。调用解锁之后， pthread_cond_wait 之前，如果已经有其他线程获取到互斥量，摒弃条件满足，发送了信号，那么 pthread_cond_wait 将错过这个信号，可能会导致线程永远阻塞在这个 pthread_cond_wait 。所以解锁和等待必须是⼀个原子操作。

同时，被唤醒的线程也会重新申请锁。

四、信号量

什么是信号量呢？首先，信号量和信号并没有关系。

对于一块公共资源（临界区），我们可以当作一整份使用，比如我们的阻塞队列。但有时，我们也可以分成多块，然后以块为单位访问这块资源，就可以让多个执行流并发访问该块资源了。

首先，信号量是一个计数器，用来表明临界资源中的资源数目。而我们申请信号量，本质是对临界资源的预订（并非等同于使用），只要预订成功即使不使用，其他线程也无法使用。而我们信号量作为保护公共资源的机制，本身自己也属于临界资源，因此申请信号量的操作必须是原子的。此外，如果我们的计数器只有0和1，那不就成为了我们在线程互斥提到的锁了吗。

五、有关信号量的环形队列

在上面的生产者消费者模型，我们的交易场所是阻塞队列，有了信号量的引入，我们介绍一种新的交易场所模型——基于信号量的环形阻塞队列（首尾相连）。（为空或为满，都指向一个位置）

在这个队列中，任何人访问此临界资源，必须先申请信号量！对于生产者来说，在意的是剩余空间，而对于消费者来讲在意的是剩余数据。我们介绍一下此队列的两种情况

1.生产消费同时访问同一个位置

如果为空，说明队列无数据，消费者就需要阻塞等待，让生产者放入数据。

如果为满，说明队列满数据，生产者就需要阻塞等待，让消费者取得并拿出数据。这两种情况都可以保证原子性！体现了互斥同步原则。

2.指向不同位置

此时就有点像追及问题，此时生产者和消费者就可以同时进行访问临界资源，直到回到1情况再继续一方等待。这种情况就满足了并发原则。

因此，我们要设计两个信号量分别给生产消费，以让他们看到临界资源的使用情况。

六、信号量的相关接口

1.sem_init

第一个参数不说了，第二个是是否设置为线程间共享，默认设置为0即可，第三个是设置信号量的初始值。

2.sem_destroy

3. P操作（申请信号量）

申请失败就会阻塞

4.V操作（释放信号量）

提一下，假设我们现在是生产者的视角，我们就需要让空间信号量先进行P操作，等放入数据后，再让消费者（数据信号量）进行V操作。

关于P、V操作

P、V本质都是对信号量的操作，P操作就是申请信号量，预订资源（但如果信号量为负就会阻塞等待，直到有其他资源释放导致该信号量++，然后把信号量--），V操作是释放资源以及唤醒其他阻塞等待的线程，如果没有等待的线程，那么信号量的值会累加。

对于空间信号量（生产）和数据信号量（消费）而言，我们简述一下大致流程：
当要放入数据时，空间信号量会预订（P）（如果没有等待就进行插入操作），然后放完数据后，让数据信号量进行V（因为插入一个数据后导致数据个数增加，消费者对于这块空间的可访问量++）。而消费者进行消费过程正好与之相反。（我们把信号量看成可访问资源块的数量就好理解了）