1.线程
线程概述
与进程（process）类似，线程（thread）是允许应用程序并发执行多个任务的一种机制。一个进程可以包含多个线程。同一个程序中的所有线程均会独立执行相同程序，且共享同一份全局内存区域，其中包括初始化数据段、未初始化数据段，以及堆内存段。（传统意义上的 UNIX 进程只是多线程程序的一个特例，该进程只包含一个线程）
进程是 CPU 分配资源的最小单位，线程是操作系统调度执行的最小单位。
线程是轻量级的进程（LWP：Light Weight Process），在 Linux 环境下线程的本质仍是进程。
查看指定进程的 LWP 号：ps –Lf pid
线程和进程区别
进程间的信息难以共享。由于除去只读代码段外，父子进程并未共享内存，因此必须采用一些进程间通信方式，在进程间进行信息交换。
调用 fork() 来创建进程的代价相对较高，即便利用写时复制技术，仍然需要复制诸如内存页表和文件描述符表之类的多种进程属性，这意味着 fork() 调用在时间上的开销依然不菲。
线程之间能够方便、快速地共享信息，只需将数据复制到共享（全局或堆）变量中即可。
创建线程比创建进程通常要快 10 倍甚至更多。线程间是共享虚拟地址空间的，无需采用写时复制来复制内存，也无需复制页表。
线程之间共享和非共享资源
共享资源：
进程ID和父进程ID
进程组ID和会话ID
用户ID和用户组ID
文件描述符表
信号处置
文件系统的相关信息：文件权限掩码(umask)、当前工作目录
虚拟地址空间(除栈、.text)
非共享资源：
线程ID
信号掩码
线程特有数据
error变量
实时调度策略和优先级
栈，本地变量和函数的调用链接信息
创建线程
一般情况下,main函数所在的线程我们称之为主线程（main线程），其余创建的线程称之为子线程。
程序中默认只有一个进程，fork()函数调用，2进程
程序中默认只有一个线程，pthread_create()函数调用，2个线程。
#include <pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr, void *(*start_routine) (void *), void *arg);
功能：创建一个子线程
参数：
- thread：传出参数，线程创建成功后，子线程的线程ID被写到该变量中。
- attr : 设置线程的属性，一般使用默认值，NULL
- start_routine : 函数指针，这个函数是子线程需要处理的逻辑代码
- arg : 给第三个参数使用，传参
返回值：成功返回0，失败：返回错误号。获取错误号的信息：char * strerror(int errnum);线程不是标准的系统库，是第三方的库，因此需要通过-l指定库的名称
这里-lpthread和-pthread作用是一样的，相当于简写
终止线程
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *retval);
功能：终止一个线程，在哪个线程中调用，就表示终止哪个线程
参数：
- retval:需要传递一个指针，作为一个返回值，可以在pthread_join()中获取到。
pthread_t pthread_self(void);
功能：获取当前的线程的线程ID
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);
功能：比较两个线程ID是否相等
不同的操作系统，pthread_t类型的实现不一样，有的是无符号的长整型，有的是使用结构体去实现的
连接已终止的线程
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);
功能：和一个已经终止的线程进行连接
通过连接去回收子线程的资源
这个函数是阻塞函数，调用一次只能回收一个子线程
一般在主线程中使用
参数：
- thread：需要回收的子线程的ID
- retval: 二级指针，接收子线程退出时的返回值
返回值：成功返回0，失败返回错误号(非0)
线程分离
#include <pthread.h>
int pthread_detach(pthread_t thread);
功能：分离一个线程，被分离的线程在终止的时候，会自动释放资源返回给系统。
1.不能多次分离，会产生不可预料的行为。
2.不能去连接一个已经分离的线程，会报错。
参数：需要分离的线程的ID
返回值：成功返回0，失败返回错误号
线程取消
#include <pthread.h>
int pthread_cancel(pthread_t thread);
功能：取消线程（让线程终止）
取消某个线程，可以终止某个线程的运行，
但并不是立马终止，而是当子线程执行到一个取消点，线程才会终止。
取消点：系统规定好的一些系统调用，可以粗略的理解为从用户区到内核区的切换，这个位置称之为取消点
线程属性
线程属性类型 pthread_attr_t
int pthread_attr_init(pthread_attr_t *attr);
- 初始化线程属性变量
int pthread_attr_destroy(pthread_attr_t *attr);
- 释放线程属性的资源
int pthread_attr_getdetachstate(const pthread_attr_t *attr, int *detachstate);
- 获取线程分离的状态属性
int pthread_attr_setdetachstate(pthread_attr_t *attr, int detachstate);
- 设置线程分离的状态属性
2.线程同步
线程同步概念
线程的主要优势在于，能够通过全局变量来共享信息。不过，这种便捷的共享是有代价的：必须确保多个线程不会同时修改同一变量，或者某一线程不会读取正在由其他线程修改的变量。
临界区是指访问某一共享资源的代码片段，并且这段代码的执行应为原子操作，也就是同时访问同一共享资源的其他线程不应该中断该片段的执行。
线程同步：即当有一个线程在对内存进行操作时，其他线程都不可以对这个内存地址进行操作，直到该线程完成操作，其他线程才能对该内存地址进行操作，而其他线程则处于等待状态。
互斥量
为避免线程更新共享变量时出现问题，可以使用互斥量（mutex）来确保同时仅有一个线程可以访问某项共享资源，可以使用互斥量来保证对任意共享资源的原子访问。
互斥量有两种状态：已锁定（locked）和未锁定（unlocked）。任何时候，至多只有一个线程可以锁定该互斥量。试图对已经锁定的某一互斥量再次加锁，将可能阻塞线程或者报错失败，具体取决于加锁时使用的方法。
一旦线程锁定互斥量，随即成为该互斥量的所有者，只有所有者才能给互斥量解锁。一般情况下，对每一共享资源（可能由多个相关变量组成）会使用不同的互斥量，每一线程在访问同一资源时将采用如下协议：
针对共享资源锁定互斥量；
访问共享资源；
对互斥量解锁。
如果多个线程试图执行这一块代码（一个临界区），事实上只有一个线程能够持有该互斥量（其他线程将遭到阻塞），即同时只有一个线程能够进入这段代码区域，如下图所示：
互斥量相关操作函数
互斥量的类型 pthread_mutex_t
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
初始化互斥量
参数 ：
- mutex ： 需要初始化的互斥量变量
- attr ： 互斥量相关的属性，NULL
- restrict : C语言的修饰符，被修饰的指针不能由另外的一个指针进行操作
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
- 释放互斥量的资源
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
- 加锁，阻塞的，如果有一个线程加锁了，那么其他的线程只能阻塞等待
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);
- 尝试加锁，如果加锁失败，不会阻塞，会直接返回。
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);
- 解锁
死锁
有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又都由不同的互斥量管理。当超过一个线程加锁同一组互斥量时，就有可能发生死锁。
两个或两个以上的进程在执行过程中，因争夺共享资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。
死锁的几种场景：
忘记释放锁；
重复加锁；
多线程多锁，抢占锁资源。
读写锁
当有一个线程已经持有互斥锁时，互斥锁将所有试图进入临界区的线程都阻塞住。但是考虑一种情形，当前持有互斥锁的线程只是要读访问共享资源，而同时有其它几个线程也想读取这个共享资源，但是由于互斥锁的排它性，所有其它线程都无法获取锁，也就无法读访问共享资源了，但是实际上多个线程同时读访问共享资源并不会导致问题。
在对数据的读写操作中，更多的是读操作，写操作较少，例如对数据库数据的读写应用。为了满足当前能够允许多个读出，但只允许一个写入的需求，线程提供了读写锁来实现。
读写锁的特点：
如果有其它线程读数据，则允许其它线程执行读操作，但不允许写操作。
如果有其它线程写数据，则其它线程都不允许读、写操作。
写是独占的，写的优先级高。
读写锁相关操作函数
读写锁的类型 pthread_rwlock_t
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock, const pthread_rwlockattr_t *restrict attr); //初始化
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock); //释放资源
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //加读锁
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //尝试加读锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //加写锁
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //尝试加写锁
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); //解锁
生产者和消费者模型
生产者生产商品，将商品放入容器，消费者从容器中取商品。
当产品将容器装满，生产者就不能生产了(阻塞)，就需要通知消费者取商品；
当消费者将容器中的产品取完，消费者也就不能取商品了，需要通知生产者进行生产。
生产者和消费者模型(粗略版)：
// 创建一个互斥量确保线程同步
pthread_mutex_t mutex;
// 定义链表
struct Node{
int num;
struct Node *next;
};
// 头结点
struct Node * head = NULL;
void * producer(void * arg) {
while(1) { // 不断的创建新的节点，添加到链表中，将链表作为容器保存数据
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
struct Node * newNode = (struct Node *)malloc(sizeof(struct Node)); // 创建新节点
newNode->next = head; // 头插法插入新节点
head = newNode;
newNode->num = rand() % 1000;
printf("add node, num : %d, tid : %ld\n", newNode->num, pthread_self());
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
usleep(100);
}
return NULL;
}
void * customer(void * arg) {
while(1) {
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
struct Node * tmp = head; // 保存头结点的指针
if(head != NULL) { // 判断是否有数据
head = head->next; // 头节点后移
printf("del node, num : %d, tid : %ld\n", tmp->num, pthread_self());
free(tmp); // 删除原来头节点
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
usleep(100);
} else { // 没有数据
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
}
}
return NULL;
}
int main() {
// 初始化互斥量
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
// 创建5个生产者线程，和5个消费者线程
pthread_t ptids[5], ctids[5];
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_create(&ptids[i], NULL, producer, NULL);
pthread_create(&ctids[i], NULL, customer, NULL);
}
// 线程分离
for(int i = 0; i < 5; i++) {
pthread_detach(ptids[i]);
pthread_detach(ctids[i]);
}
//用死循环保证能一直使用互斥量
while(1) {
sleep(10);
}
// 释放互斥量资源
pthread_mutex_destroy(&mutex);
// 退出主线程
pthread_exit(NULL);
return 0;
}
条件变量
满足某个条件时，阻塞线程；
满足某个条件时，解除阻塞。
条件变量的类型 pthread_cond_t
int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond, const pthread_condattr_t *restrict attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
- 等待，调用了该函数，线程会阻塞。
int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex, const struct timespec *restrict abstime);
- 等待多长时间，调用了这个函数，线程会阻塞，直到指定的时间结束。
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
- 唤醒一个或者多个等待的线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
- 唤醒所有的等待的线程
信号量
一、什么是信号量
为了防止多个程序同时访问一个共享资源而引发的一系列问题，我们需要一种访问机制，它可以通过生成并使用令牌来授权，在同一时刻只能有一个线程访问代码的临界区域。
临界区域是指执行数据更新的代码需要独占式地执行。而信号量就可以提供这样的一种访问机制，让一个临界区同一时间只有一个线程在访问它，也就是说信号量是用来协调进程(线程)对共享资源的访问的。
信号量是一个特殊的变量，其数值可用于表示空闲临界资源的数量。有进程释放时，信号量增加，表示可用资源增加；当有进程申请到资源时信号量减少，表示可用资源数减少。程序对其访问都是原子操作，且只允许对它进行等待（即P(信号变量))和发送（即V(信号变量))信息操作。
最简单的信号量是只能取0和1的变量，这也是信号量最常见的一种形式，叫做二元信号量。而可以取多个正整数的信号量被称为通用信号量。这里主要讨论二元信号量。
信号量的值为正的时候，说明它空闲。所测试的线程可以锁定并使用它。若为0，说明它被占用，测试的线程要进入睡眠队列中，等待被唤醒。
二、信号量的工作原理
由于信号量只能进行两种操作等待和发送信号，即P(sv)和V(sv),他们的行为是这样的：
P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程。
V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1.
举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行
举个例子，就是两个进程共享信号量sv，一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。
三、信号量的分类
Linux中提供了两种信号量，一种用于内核程序中，一种用于应用程序中。
信号量的类型 sem_t
int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value);
作用：初始化信号量
参数：
- sem : 信号量变量的地址
- pshared : 0 用在线程间 ，非0 用在进程间
- value : 信号量中的值
int sem_destroy(sem_t *sem);
- 释放资源
int sem_wait(sem_t *sem);
- 对信号量加锁，调用一次对信号量的值-1，如果值为0，就阻塞
int sem_trywait(sem_t *sem);
- 尝试阻塞
int sem_timedwait(sem_t *sem, const struct timespec *abs_timeout);
- 设置阻塞的时间
int sem_post(sem_t *sem);
- 对信号量解锁，调用一次对信号量的值+1
int sem_getvalue(sem_t *sem, int *sval);
- 获取信号量中的值标签：int,Linux,信号量,互斥,开发,线程,pthread,mutex,多线程 From： https://www.cnblogs.com/wxk1213/p/16871766.html