一、線程同步的引入

通過上面的搶票系統我們發現，有的線程，進行工作（掛鎖），當其馬上結束工作（解鎖），發現外面有很多線程在排隊等著加鎖執行任務，這個線程解鎖后就立馬給自己加鎖（可以想象成自己能直到解鎖的時間，所以加鎖的優勢比其他線程大），但是如果這個線程本身并沒有做什么工作，就會使工作效率低下，線程饑餓等問題。

為了解決這個問題，我們規定：所有線程等待加鎖必須排隊，加鎖的線程解鎖后必須排在隊尾等待下一次加鎖，這樣就能保證所有線程都可以執行任務。這就是線程同步。

二、條件變量

條件變量與互斥鎖的相關接口幾乎完全相同，在這里就不多介紹語法了。

但也有些新的接口。

我們用一個場景來介紹一下這些接口是怎么用的。

我們現在有一個主線程和若干個新線程（共用一個鎖）

主線程負責派發任務，新線程負責執行（如果不派發就無法執行）

所以，當一個線程拿到鎖進行查看時，如果發現有任務就執行，但如果發現任務還沒派發，就會去某個條件變量那里進行等待（pthread_cond_wait接口），后面的線程也是如此，這里是在條件變量這的等待隊列（先進先出）。在等待過程中就不會一直的申請加鎖而阻止主線程派發任務了。在所有新線程等待的情況下，當主線程加鎖后派發任務后，會通知（喚醒）第一個開始等待的新線程，讓它去加鎖執行任務（pthread_cond_signal接口)，同時，主線程也可以一次喚醒多個線程，讓他們去搶奪該資源（pthread_cond_broadcast接口），這便是這些接口的使用方法。

三、生產者消費者模型

對于多線程并發的情況，我們可以用生產者消費者模型來解釋一下。

首先，我們把主線程稱為生產者，可以視為派發任務方，然后多個新線程稱為消費者，視為取得任務并執行任務。在二者之間，有一個橋梁——共享或臨界資源。那么生產者就會對這份資源進行派發任務的行為，其他消費者要執行任務時，并不會直接向生產者詢問索取，而是直接訪問該臨界資源、上鎖并執行。通過這個臨界資源，我們就可以講生產和消費進行解耦了。同時，臨界資源可以作為媒介，當生產者派發任務多時可以間接通知消費者并增加消費者數量，反之則減少。

而在這個模型中，我們需要研究多個生產與多個消費的同步互斥關系。

首先，生產者與生產者之間是互斥的，畢竟從現實角度考慮，我派發了就不允許你派發。

消費者與消費者之間也是互斥的，如果任務很少而線程很多時，就會出現我搶到任務了而別人都沒搶到。

還有就是生產者與消費者，他們是既互斥又同步的，互斥在于，生產者在派發任務時不允許消費者進來槍任務干擾生產者，而消費者在搶任務時也不許生產者發任務干擾。同步在于，生產者派發任務時，雖然無法搶，但消費者們可以進行排隊等待，而對于生產者們也是一樣的。

總結就是：2個角色，3個關系，1個交易場所。

有了這個模型，我們就可以把條件變量的接口來解釋了。

首先

wait就相當于創建該媒介，讓線程在該阻塞隊列中等待。signal就是叫醒排在最前面的一個線程執行，broadcast就是一次喚醒所有在隊列的線程。

至于wait的接口為什么還要把鎖傳進去呢？——在線程進入等待的時候要解鎖！即解鎖與等待是原子性操作。

條件等待是線程間同步的?種手段，如果只有?個線程，條件不滿足，?直等下去都不會滿足， 所以必須要有?個線程通過某些操作，改變共享變量，使原先不滿足的條件變得滿足，并且友好 的通知等待在條件變量上的線程。條件不會無緣無故的突然變得滿足了，必然會牽扯到共享數據的變化。所以一定要用互斥鎖來保護。沒有互斥鎖就無法安全的獲取和修改共享數據。由于解鎖和等待不是原子操作。調用解鎖之后， pthread_cond_wait 之前，如果已經有其他線程獲取到互斥量，摒棄條件滿足，發送了信號，那么 pthread_cond_wait 將錯過這個信 號，可能會導致線程永遠阻塞在這個 pthread_cond_wait 。所以解鎖和等待必須是?個原子操作。

同時，被喚醒的線程也會重新申請鎖。

四、信號量

什么是信號量呢？首先，信號量和信號并沒有關系。

對于一塊公共資源（臨界區），我們可以當作一整份使用，比如我們的阻塞隊列。但有時，我們也可以分成多塊，然后以塊為單位訪問這塊資源，就可以讓多個執行流并發訪問該塊資源了。

首先，信號量是一個計數器，用來表明臨界資源中的資源數目。而我們申請信號量，本質是對臨界資源的預訂（并非等同于使用），只要預訂成功即使不使用，其他線程也無法使用。而我們信號量作為保護公共資源的機制，本身自己也屬于臨界資源，因此申請信號量的操作必須是原子的。此外，如果我們的計數器只有0和1，那不就成為了我們在線程互斥提到的鎖了嗎。

五、有關信號量的環形隊列

在上面的生產者消費者模型，我們的交易場所是阻塞隊列，有了信號量的引入，我們介紹一種新的交易場所模型——基于信號量的環形阻塞隊列（首尾相連）。（為空或為滿，都指向一個位置）

在這個隊列中，任何人訪問此臨界資源，必須先申請信號量！對于生產者來說，在意的是剩余空間，而對于消費者來講在意的是剩余數據。我們介紹一下此隊列的兩種情況

1.生產消費同時訪問同一個位置

如果為空，說明隊列無數據，消費者就需要阻塞等待，讓生產者放入數據。

如果為滿，說明隊列滿數據，生產者就需要阻塞等待，讓消費者取得并拿出數據。這兩種情況都可以保證原子性！體現了互斥同步原則。

2.指向不同位置

此時就有點像追及問題，此時生產者和消費者就可以同時進行訪問臨界資源，直到回到1情況再繼續一方等待。這種情況就滿足了并發原則。

因此，我們要設計兩個信號量分別給生產消費，以讓他們看到臨界資源的使用情況。

六、信號量的相關接口

1.sem_init

第一個參數不說了，第二個是是否設置為線程間共享，默認設置為0即可，第三個是設置信號量的初始值。

2.sem_destroy

3. P操作（申請信號量）

申請失敗就會阻塞

4.V操作（釋放信號量）

提一下，假設我們現在是生產者的視角，我們就需要讓空間信號量先進行P操作，等放入數據后，再讓消費者（數據信號量）進行V操作。

關于P、V操作

P、V本質都是對信號量的操作，P操作就是申請信號量，預訂資源（但如果信號量為負就會阻塞等待，直到有其他資源釋放導致該信號量++，然后把信號量--），V操作是釋放資源以及喚醒其他阻塞等待的線程，如果沒有等待的線程，那么信號量的值會累加。

對于空間信號量（生產）和數據信號量（消費）而言，我們簡述一下大致流程：
當要放入數據時，空間信號量會預訂（P）（如果沒有等待就進行插入操作），然后放完數據后，讓數據信號量進行V（因為插入一個數據后導致數據個數增加，消費者對于這塊空間的可訪問量++）。而消費者進行消費過程正好與之相反。 （我們把信號量看成可訪問資源塊的數量就好理解了）