目錄
一、線程間通信基礎
1. 概念
2. 通信基礎：共享空間
二、互斥鎖（Mutex）
1. 概念
2. 使用流程
3. 函數接口
三、死鎖
1. 概念
2. 死鎖產生的 4 個必要條件
3. 避免死鎖的方法
四、信號量（Semaphore）
1. 概念
2. 函數接口
3. 應用場景
一、線程間通信基礎
1. 概念
線程間通信指多個線程之間傳遞信息的過程，是多線程協作完成任務的核心機制
2. 通信基礎：共享空間
同一進程中的多個線程共享以下資源，這是線程間通信的基礎：
- 文本段（代碼區）
- 數據段（全局變量、靜態變量等）
- 堆區（動態分配的內存空間）
注意：線程獨享棧區（默認 8M），棧區數據不共享；因此線程間通信主要依賴共享的全局變量、堆區數據等
采用全局變量的原因：
- 進程是操作系統資源分配的最小單元
- 每個進程空間獨立的，包含文本段+數據段（全局變量）+系統數據段
- 一個進程中的多個線程獨享棧空間，文本段、數據段、堆區進程多線程共享
同一進程的線程共享全局變量、靜態變量、堆區數據（malloc 分配），但局部變量（棧區）不共享；因此線程間通信需通過共享變量，避免使用棧區數據
- 多線程同時操作共享空間會引發資源競爭，需要加上互斥鎖解決資源競爭問題
二、互斥鎖（Mutex）
1. 概念
- 互斥鎖是解決多線程資源競爭的核心機制，可視為一種 "獨占性資源"
- 特性：同一時間只能有一個線程獲得鎖，加鎖期間其他線程需等待解鎖后才能再次加鎖
- 臨界區：加鎖和解鎖之間的代碼段，即被互斥鎖保護的共享資源操作代碼
- 只能防止多個線程對資源的競爭，不能決定代碼的先后執行順序
- 原子操作：CPU 執行加鎖 / 解鎖操作時無法切換任務，保證操作的不可分割性
2. 使用流程
1. 定義互斥鎖（全局變量）
2. 對鎖初始化
3. 操作全局資源前先加鎖
4. 如果加鎖成功則完成對全局資源操作
5. 如果加鎖失敗則表示有人占用資源，必須等待其余人釋放鎖資源才能加鎖成功
6. 直到加鎖成功使用該全局資源
3. 函數接口
| 函數名 | 原型 | 功能 | 參數說明 | 返回值 |
|---|---|---|---|---|
| pthread_mutex_init | int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr) | 初始化互斥鎖 | -? 互斥鎖變量地址 鎖屬性（默認 NULL，使用默認屬性） | 成功返回 0 失敗返回 - 1 |
| pthread_mutex_lock | int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) | 互斥鎖加鎖 |
互斥鎖變量地址 | 成功返回 0 失敗返回 - 1（若鎖已被占用，會阻塞等待） |
| pthread_mutex_unlock | int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) | 互斥鎖解鎖 |
互斥鎖變量地址 | 成功返回 0 失敗返回 - 1 |
| pthread_mutex_destroy | int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex) | 銷毀互斥鎖 |
互斥鎖變量地址 | 成功返回 0 失敗返回 - 1 |
三、死鎖
1. 概念
多線程因加鎖 / 解鎖順序錯誤，導致線程相互等待對方釋放鎖資源，程序無法繼續執行的狀態。
2. 死鎖產生的 4 個必要條件
| 條件 | 說明 |
|---|---|
| 互斥條件 | 資源（如鎖）只能被一個線程占用 |
| 不可剝奪條件 | 線程占用的資源不能被強制剝奪 |
| 請求保持條件 | 線程持有部分資源，同時請求其他資源 |
| 循環等待條件 | 線程間形成資源請求循環（如線程 1 等待線程 2 的鎖，線程 2 等待線程 1 的鎖） |
3. 避免死鎖的方法
- 保持加鎖順序一致：所有線程按固定順序加鎖（如先鎖 A 再鎖 B）
- 使用非阻塞加鎖：用
pthread_mutex_trylock（嘗試加鎖，失敗時不阻塞，返回錯誤碼）替代pthread_mutex_lock - 限時加鎖：設置加鎖超時時間，超時后釋放已持有的鎖
四、信號量（Semaphore）
1. 概念
- 信號量是一種資源
- 信號量只能完成四種操作：初始化、銷毀、申請、釋放
- 如果信號量資源數為0，申請資源會阻塞等待，直到占用資源的任務釋放資源，資源數不為0時才能申請到資源并繼續向下執行
- 釋放資源不會阻塞
2. 函數接口
| 函數名 | 原型 | 功能 | 參數說明 | 返回值 |
|---|---|---|---|---|
| sem_init | int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value) | 初始化信號量 | -? 信號量變量地址 0 表示線程間共享，非 0 表示進程間共享 初始資源數量 | 成功返回 0 失敗返回 - 1 |
| sem_destroy | int sem_destroy(sem_t *sem) | 銷毀信號量 |
信號量變量地址 | 成功返回 0 失敗返回 - 1 |
| sem_wait | int sem_wait(sem_t *sem) | 申請信號量（P 操作） |
信號量變量地址 | 成功返回 0（資源數 - 1） 失敗返回 - 1；資源數為 0 時阻塞 |
| sem_post | int sem_post(sem_t *sem) | 釋放信號量（V 操作） |
信號量變量地址 | 成功返回 0（資源數 + 1） 失敗返回 - 1 |
注意：
- 申請信號量會讓信號量資源數-1
- 如果信號量資源數為0，則會阻塞等待，直到有任務釋放資源，才能拿到資源并繼續向下 執行
3. 應用場景
- 控制并發訪問數量（如限制同時訪問共享內存的線程數）
- 實現線程間的同步（如生產者 - 消費者模型中控制數據讀寫順序）
注意：
- 互斥鎖與信號量的區別
- 互斥鎖：用于 "獨占" 資源（資源數固定為 1），解決資源競爭
- 信號量：用于 "計數" 資源（資源數可自定義），控制并發數量或同步
? ? ?2.臨界區設計原則
- 臨界區代碼應盡可能精簡，僅包含對共享資源的操作，減少線程等待時間，提高效率
