Linux 高級編程——線程控制

線程控制：互斥與同步

概念：
?? ?互斥 ===》在多線程中對臨界資源的排他性訪問。

?? ?互斥機制 ===》互斥鎖 ?===》保證臨界資源的訪問控制。

?? ?pthread_mutex_t ? mutex;
?? ?互斥鎖類型 ? ? ? ?互斥鎖變量內核對象

?? ?框架：
?? ? 定義互斥鎖 ==》初始化鎖 ==》加鎖 ==》解鎖 ==》銷毀
?? ??? ?**** ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?*** ? ? ?***

?? ? 1、定義：
?? ??? ?pthread_mutex_t ? mutex;

?? ? 2、初始化鎖
?? ??? ?int pthread_mutex_init(
?? ??? ??? ?pthread_mutex_t *mutex,
?? ??? ??? ?const pthread_mutexattr_t *attr);
?? ??? ?功能：將已經定義好的互斥鎖初始化。
?? ??? ?參數：mutex 要初始化的互斥鎖
?? ??? ??? ? ?atrr ?初始化的值，一般是NULL表示默認鎖
?? ??? ?返回值：成功 0
?? ??? ??? ??? ?失敗非零
?? ? 3、加鎖：
?? ??? ?int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
?? ??? ?功能：用指定的互斥鎖開始加鎖代碼
?? ??? ??? ? ?加鎖后的代碼到解鎖部分的代碼屬于原子操作，
?? ??? ??? ? ?在加鎖期間其他進程/線程都不能操作該部分代碼
?? ??? ??? ? ?如果該函數在執行的時候，mutex已經被其他部分
?? ??? ??? ? ?使用則代碼阻塞。

?? ??? ?參數： mutex 用來給代碼加鎖的互斥鎖
?? ??? ?返回值：成功 0
?? ??? ??? ??? ?失敗非零

?? ? 4、解鎖
?? ??? ?int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
?? ??? ?功能：將指定的互斥鎖解鎖。
?? ??? ??? ? ?解鎖之后代碼不再排他訪問，一般加鎖解鎖同時出現。
?? ??? ?參數：用來解鎖的互斥鎖
?? ??? ?返回值：成功 0
?? ??? ??? ??? ?失敗非零

?? ? 5、銷毀
?? ??? ? int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
?? ??? ? 功能：使用互斥鎖完畢后需要銷毀互斥鎖
?? ??? ? 參數：mutex 要銷毀的互斥鎖
?? ??? ? 返回值：成功 ?0
?? ??? ??? ??? ? 失敗 ?非零

?? ? 6、trylock
?? ??? ?int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
?? ??? ?功能：類似加鎖函數效果，唯一區別就是不阻塞。
?? ??? ?參數：mutex 用來加鎖的互斥鎖
?? ??? ?返回值：成功 0
?? ??? ??? ??? ?失敗非零
?? ??? ??? ??? ?E_AGAIN

注意：

被互斥鎖包含的地方盡量簡短

鎖的位置就是要小，盡可能做到并發

互斥鎖中不會吧延遲函數鎖上

上了鎖的地方一定要檢查某些地方解鎖了沒。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>int a = 0;
pthread_mutex_t mutex;
void* th(void* arg)
{// pthread_mutex_lock(&mutex);int i =5000;while(i--){pthread_mutex_lock(&mutex);int tmp = a;printf("a is %d\n",tmp+1);a = tmp+1;pthread_mutex_unlock(&mutex); }// pthread_mutex_unlock(&mutex); return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid1,tid2;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);pthread_create(&tid1,NULL,th,NULL);pthread_create(&tid2,NULL,th,NULL);pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

十個人來銀行辦業務，
?? ?int a ?= 0 ;
?? ?
?? ?while(5000--)
?? ?{
?? ??? ?int temp = a;
?? ??? ?printf("%d",temp+1);
?? ??? ?a =temp+1;
?? ?}

?? ??? ?get win ? sleep(rand()%5);
?? ??? ?get win
?? ??? ?get win?
?? ??? ?leave?
?? ??? ??
?? ?10線程，
?? ?count = 3，
?? ?th()
?? ?{
?? ?while(1)
?? ?{
?? ??? ?if( cout >0 )
?? ??? ?{?? ?
?? ??? ??? ?//you
?? ??? ??? ?printf("get totile\n");
?? ??? ??? ?cout--;
?? ??? ??? ?break;
?? ??? ?}
?? ??? ?else
?? ??? ?{
?? ??? ??? ?//sleep(1);
?? ??? ?}
?? ?}
?? ?rand()%5
?? ??? ?sleep(5)
?? ??? ?printf("release totile\n")
?? ??? ?coutt++;
?? ?}
?? ?main()
?? ?{
?? ??? ?pthread_create*10;
?? ??? ?pthread_join();*10
?? ?}
?

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int WIN = 3;
void* th(void* arg)
{while(1){pthread_mutex_lock(&mutex);if(WIN>0){WIN--;pthread_mutex_unlock(&mutex);printf("get win\n");sleep(rand()%5);printf("relese win\n");pthread_mutex_lock(&mutex);WIN++;pthread_mutex_unlock(&mutex);break;}else {pthread_mutex_unlock(&mutex);}}return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid[10];int i = 0 ;pthread_mutex_init(&mutex,NULL);for(i = 0 ;i<10;i++){pthread_create(&tid[i],NULL,th,NULL);}for(i = 0 ;i<10;i++){pthread_join(tid[i],NULL);}pthread_mutex_destroy(&mutex);return 0;
}

? ??? ??? ??? ?
?? ??? ??? ??? ?
?? ?練習：
?? ??? ?設計一個多線程程序，共享同一塊字符數組，分別向該
?? ??? ?數組中寫入字符串，保證某一時刻只能有一個線程在操作
?? ??? ?該數組，使用堆區/棧區互斥鎖來保證排他性訪問。
?? ??? ?
?? ?練習2：
?? ?使用互斥鎖完成如下功能：
?? ?設計多線程程序，同時對指定的文件進行寫操作
?? ?要求每個線程寫入的信息不能覆蓋和交叉。
?? ?文件中的數據要是輸入信息的總和不能丟失。
? ?
??

?線程的同步 ===》同步?
? ===》有一定先后順序的對資源的排他性訪問。

?? ?原因：互斥鎖可以控制排他訪問但沒有次序。

?? ?linux下的線程同步 ?===》信號量機制 ===》semaphore.h ? posix?
?? ?sem_open();

信號量是內核中的操作，
?? ?信號量的分類：
?? ?1、無名信號量 ==》線程間通信
?? ?2、有名信號量 ==》進程間通bn

?? ?

框架：
?? ?信號量的定義 ===》信號量的初始化 ==》信號量的PV操作
?? ?===》信號量的銷毀。

?? ?semaphore?
?? ?1、信號量的定義：
?? ? ? sem_t ? ? ? ? ? ?sem;
?? ? ? 信號量的類型 ? ? 信號量的變量

?? ?2、信號量的初始化：
?? ??? ?int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
?? ??? ?功能：將已經定義好的信號量賦值。
?? ??? ?參數：sem 要初始化的信號量
?? ??? ??? ? ?pshared = 0 ;表示線程間使用信號量
?? ??? ??? ??? ??? ? ?!=0 ;表示進程間使用信號量
?? ??? ??? ? ?value 信號量的初始值，一般無名信號量
?? ??? ??? ? ?都是二值信號量，0 1?
?? ??? ??? ? ?0 表示紅燈，進程暫停阻塞
?? ??? ??? ? ?1 表示綠燈，進程可以通過執行
?? ??? ?返回值：成功 ?0
?? ??? ??? ??? ?失敗 ?-1；
?? ?3、信號量的PV 操作
?? ? ? P ===》申請資源===》申請一個二值信號量?
?? ? ? V ===》釋放資源===》釋放一個二值信號量

二值信號量;0或者1；

?? ? ? P操作對應函數 ==》sem_wait();
?? ? ? V操作對應函數 ==》sem_post();

需要進行交叉操作。申請自己的，釋放對方的。

?? ?int sem_wait(sem_t *sem);
?? ?功能：判斷當前sem信號量是否有資源可用。
?? ??? ? ?如果sem有資源(==1)，則申請該資源，程序繼續運行
?? ??? ? ?如果sem沒有資源(==0)，則線程阻塞等待，一旦有資源
?? ??? ? ?則自動申請資源并繼續運行程序。

?? ??? ? ?注意：sem 申請資源后會自動執行 sem = sem - 1;
?? ?參數：sem 要判斷的信號量資源
?? ?返回值：成功 0?
?? ??? ??? ?失敗 -1
?? ??? ?
?? ?int sem_post(sem_t *sem);
?? ?功能：函數可以將指定的sem信號量資源釋放
?? ??? ? ?并默認執行，sem = sem+1;
?? ??? ? ?線程在該函數上不會阻塞。
?? ?參數：sem 要釋放資源的信號量
?? ?返回值：成功 0
?? ??? ??? ?失敗 -1；

?? ?4、信號量的銷毀
?? ? ? int sem_destroy(sem_t *sem);
?? ? ? 功能：使用完畢將指定的信號量銷毀
?? ? ? 參數：sem要銷毀的信號量
?? ? ? 返回值：成功 0
?? ??? ??? ??? ?失敗 ?-1；

? 實現先打印hello，緊接著打印world

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t sem_H,sem_W;
void* th1(void* arg)
{int i =10;while(i--){sem_wait(&sem_H);printf("hello");fflush(stdout);sem_post(&sem_W);}return NULL;
}
void* th2(void* arg)
{int i =10;while(i--){sem_wait(&sem_W);printf(",world\n");sleep(1);sem_post(&sem_H);}return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{pthread_t tid1,tid2;sem_init(&sem_H,0,1);sem_init(&sem_W,0,0);pthread_create(&tid1,NULL,th1,NULL);pthread_create(&tid2,NULL,th2,NULL);pthread_join(tid1,NULL);pthread_join(tid2,NULL);sem_destroy(&sem_H);sem_destroy(&sem_W);return 0;
}

?實現銀行示例用信號量。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>
sem_t sem_WIN;
void* th(void* arg)
{sem_wait(&sem_WIN);printf("get win\n");sleep(rand()%5);printf("relese win\n");sem_post(&sem_WIN);return NULL;
}int main(int argc, char *argv[])
{srand(time(NULL));pthread_t tid[10];int i = 0 ;//計數信號量sem_init(&sem_WIN,0,3);for(i = 0 ;i<10;i++){pthread_create(&tid[i],NULL,th,NULL);}for(i = 0 ;i<10;i++){pthread_join(tid[i],NULL);}sem_destroy(&sem_WIN);return 0;
}

?? ?pthread_attr_t attr;
?? ?int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);

? int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachst
ate)
功能：設置線程為分離的屬性，線程自己在消亡的時候，釋放相關的資源。
?? ?attr，出參，由該函數填充。
?? ?detachstate
?? ??? ?PTHREAD_CREATE_DETACHED：
?? ??? ?設置分離屬性的標記
?? ??? ?PTHREAD_CREATE_JOINABLE：
?? ??? ?設置關聯的屬性：
?? ??? ?
?? ??? ?返回 ?0 成功
?? ??? ? ? ? ?>0 失敗，以及錯誤號
?? ??? ??? ? ?
?? ??? ??? ? ?
?? ??? ??? ? ?
?? ?int pthread_detach(pthread_t thread);
?? ?功能：設置線程為分離的屬性，線程自己在消亡的時候，釋放相關的資源。
?? ?參數：thread，需要設置分離屬性的tid
?? ?

?? ??? ?返回 ?0 成功
?? ??? ? ? ? ?>0 失敗，以及錯誤號
?? ??? ??? ? ?
?? ?pthread_yield();usleep(1000);
?? ?功能：本線程放棄cpu的調度。
?? ?
?? ?
?? ?
?? ?
?? ?
?? ?
?? ?abcabcabcabc
?? ?AAABBBCCC
?? ?
?? ?3~5, 100
?? ?
?? ?
?? ?6線程， mallco 3?
?? ?int mem[3];//1. 0,
?? ?sem_mem 3;
?? ?int mymall0c()
?? ?{
?? ??? ?wait(sem_mem);
?? ??? ?for(i == 0;i<3;i++)
?? ??? ?if( m[i] == 1)?
?? ??? ?return i;
?? ?}
?? ?void myfree(id)
?? ?{
?? ??? ?mem[id]=1;
?? ??? ?sem_post(sem_mem);
?? ?}
?? ?void* th(void* age)?? ?
?? ?{
?? ??? ?int id = mymalloc();
?? ??? ?printf(我拿到di i 個空間);
?? ??? ?sleep(rand()%5);
?? ??? ?
?? ??? ?myfree(id);
?? ??? ?
?? ?
?? ?
?? ?}
?? ?
?? ?main()
?? ?{
?? ?
?? ??? ?pthread_create();//6
?? ??? ?ptread_join();//6
?? ?}
?? ?
?? ?
?? ?
?? ?1,服務員， 3桌子
?? ?
?? ??? ??? ??? ??? ?20
?? ?1，前臺，報菜單， ?name，號。
?? ?當前叫號，10，
?? ?sturct（）
?? ?{
?? ??? ?name【100】，
?? ??? ?total_num;
?? ??? ?call_num;
?? ??? ?mutex_lock;
?? ?}
?? ?record;
?? ?customer)()
?? ?{
?? ??? ?printf("eat...");
?? ??? ?sleep();
?? ??? ?printf("out");
?? ??? ?sem_post();
?? ?}
?? ?
?? ?waiter（）
?? ?{
?? ??? ?while(1)
?? ??? ?{
?? ??? ?wait(desk) ? ?8 ? ? ?10
?? ??? ?if ()//有人 ?call < total
?? ??? ?pthread_create(aa);
?? ??? ?else
?? ??? ?{
?? ??? ??? ?
?? ??? ?}
?? ?}
?? ?}
?? ?main（）
?? ?{
?? ?
?? ??? ?pthread_create();//wait
?? ??? ?
?? ??? ?while（）
?? ??? ?fgets,name, total++；
?? ??? ?
?? ?}
?? ?
?? ?

互斥鎖（Mutex）和信號量（Semaphore）都是多線程編程中用于實現資源共享和線程同步的機制，但它們在應用場景、實現方式和性能特點上有所不同。以下是它們之間的區別和相同點的詳細解釋：

區別

應用場景：
- 互斥鎖主要用于線程互斥，確保同一時刻只有一個線程能訪問特定的資源，防止資源被多個線程同時訪問。
- 信號量主要用于線程同步，控制對共享資源的訪問許可。當資源可用時，允許線程繼續操作；當資源被占用時，線程則阻塞直到資源變得可用。
實現方式：
- 互斥鎖的值通常只能為0或1，表示資源是否被鎖定。當一個線程獲取互斥鎖時，其他試圖訪問該資源的線程將被阻塞，直到鎖被釋放。
- 信號量的值可以是任意非負整數，表示可用資源的數量。當信號量的值大于0時，表示有可用資源，線程可以繼續操作；當信號量的值為0時，表示沒有可用資源，線程需要阻塞直到資源變得可用。
性能特點：
- 互斥鎖在鎖定資源時，所有試圖訪問該資源的線程都會被阻塞，直到資源被解鎖。它的實現相對簡單，效率較高，但在鎖爭用激烈的場景下，可能會帶來較大的性能開銷。
- 信號量在資源被鎖定時，允許其他線程繼續執行某些任務，直到資源被釋放。因此，它更適用于需要等待時間較長的臨界區。同時，信號量還可以用于進程間通信，而互斥鎖僅用于線程間通信。
所有權特性：
- 互斥鎖具有明確的所有權特性，即同一時間只能有一個任務持有互斥鎖，而且只有這個任務可以對互斥鎖進行解鎖。
- 信號量并沒有明確的所有權特性，一個進程阻塞在某個信號量上時，它無法知道自己阻塞在哪個進程（線程）之上。

相同點

重要性：對于線程來說，互斥鎖和信號量都是非常重要的概念，它們都可以避免死鎖或者讀臟數據。
目的：兩者的主要目的都是為了保護共享資源，確保線程在訪問這些資源時的正確性和一致性。
基本機制：它們都采用了某種形式的鎖定機制來防止多個線程同時訪問共享資源。

總結來說，互斥鎖和信號量在多線程編程中各有其應用場景和優缺點。在選擇使用哪種機制時，需要根據具體的需求和場景進行權衡和選擇。

?? ?
?? ?
?? ?
?? ?產生死鎖的原因主要是：

（1）因為系統資源不足。
（2）進程運行推進的順序不合適。
（3）資源分配不當等。
如果系統資源充足，進程的資源請求都能夠得到滿足，死鎖出現的可能性就很低，否則
就會因爭奪有限的資源而陷入死鎖。其次，進程運行推進順序與速度不同，也可能產生死鎖。
產生死鎖的四個必要條件：
（1）互斥條件：一個資源每次只能被一個進程使用。
（2）請求與保持條件：一個進程因請求資源而阻塞時，對已獲得的資源保持不放。
（3）不剝奪條件:進程已獲得的資源，在末使用完之前，不能強行剝奪。優先級問題
（4）循環等待條件:若干進程之間形成一種頭尾相接的循環等待資源關系。
?

死鎖的原因
?

系統資源不足：當系統中的資源不足以滿足所有進程的需求時，進程之間可能會因為爭奪資源而產生死鎖。
進程運行推進的順序不合適：即使系統資源充足，如果進程請求資源的順序不當，也可能導致死鎖。例如，進程A擁有資源1并請求資源2，而進程B擁有資源2并請求資源1，此時就可能出現循環等待，導致死鎖。
資源分配不當：資源分配策略的不當也可能導致死鎖。例如，某些資源分配算法可能傾向于將資源分配給某些進程，而忽略其他進程的需求，從而增加了死鎖的風險。