树莓派5B - 零基础应用开发(第七期)
基础知识点（适用于零基础想学习Linux操作系统的的小白新手）
线程概述
线程是参与系统调度的最小单位。它被包含在进程之中，是进程中的实际运行单位。一个线程指的是进程中一个单一顺序的控制流（或者说是执行路线、执行流），一个进程中可以创建多个线程，多个线程实现并发运行，每个线程执行不同的任务。
当一个程序启动时，就有一个进程被操作系统（OS）创建，与此同时一个线程也立刻运行，该线程通常叫做程序的主线程（Main Thread），因为它是程序一开始时就运行的线程。应用程序都是以 main()做为入口开始运行的，所以 main()函数就是主线程的入口函数，main()函数所执行的任务就是主线程需要执行的任务。任何一个进程都包含一个主线程，只有主线程的进程称为单线程进程。多线程指的是除了主线程以外，还包含其它的线程，其它线程通常由主线程来创建（调用pthread_create 创建一个新的线程），那么创建的新线程就是主线程的子线程。
主线程的重要性体现在两方面：
● 其它新的线程（也就是子线程）是由主线程创建的；
● 主线程通常会在最后结束运行，执行各种清理工作，譬如回收各个子线程。
线程的特点
线程是程序最基本的运行单位，而进程不能运行，真正运行的是进程中的线程。可以认为进程仅仅是一个容器，它包含了线程运行所需的数据结构、环境变量等信息。
同一进程中的多个线程将共享该进程中的全部系统资源，如虚拟地址空间，文件描述符和信号处理等等。但同一进程中的多个线程有各自的调用栈（call stack，我们称为线程栈），自己的寄存器环境（registercontext）、自己的线程本地存储（thread-local storage）。
在多线程应用程序中，通常一个进程中包括了多个线程，每个线程都可以参与系统调度、被 CPU 执行，
线程具有以下一些特点：
● 线程不单独存在、而是包含在进程中；
● 线程是参与系统调度的基本单位；
● 可并发执行。同一进程的多个线程之间可并发执行，在宏观上实现同时运行的效果；
● 共享进程资源。同一进程中的各个线程，可以共享该进程所拥有的资源，这首先表现在：所有线程都具有相同的地址空间（进程的地址空间），这意味着，线程可以访问该地址空间的每一个虚地址；此外，还可以访问进程所拥有的已打开文件、定时器、信号量等等。
线程 ID
就像每个进程都有一个进程 ID 一样，每个线程也有其对应的标识，称为线程 ID。进程 ID 在整个系统中是唯一的，但线程 ID 不同，线程 ID 只有在它所属的进程上下文中才有意义。
终止线程
可以通过如下方式终止线程的运行：
● 线程的 start 函数执行 return 语句并返回指定值，返回值就是线程的退出码；
● 线程调用 pthread_exit()函数；
● 调用 pthread_cancel()取消线程；
注册线程清理处理函数
使用 atexit()函数注册进程终止处理函数，当进程调用 exit()退出时就会执行进程终止处理函数；其实，当线程退出时也可以这样做，当线程终止退出时，去执行这样的处理函数， 我们把这个称为线程清理函数（thread cleanup handler）。与进程不同，一个线程可以注册多个清理函数，这些清理函数记录在栈中，每个线程都可以拥有一个清理函数栈，栈是一种先进后出的数据结构，也就是说它们的执行顺序与注册（添加）顺序相反，当执行完所有清理函数后，线程终止。
线程同步
线程同步是为了对共享资源的访问进行保护。这里说的共享资源指的是多个线程都会进行访问的资源，譬如定义了一个全局变量 a，线程 1 访问了变量 a、同样在线程 2也访问了变量 a，那么此时变量 a 就是多个线程间的共享资源，大家都要访问它。保护的目的是为了解决数据一致性的问题。
出现数据一致性问题其本质在于进程中的多个线程对共享资源的并发访问（同时访问）。
Linux 系统提供了多种用于实现线程同步的机制，常见的方法有： 互斥锁、条件变量、自旋锁以及读写锁等。
互斥锁
互斥锁（mutex）又叫互斥量，从本质上说是一把锁，在访问共享资源之前对互斥锁进行上锁，在访问完成后释放互斥锁（解锁），对互斥锁进行上锁之后，任何其它试图再次对互斥锁进行加锁的线程都会被阻塞，直到当前线程释放互斥锁。如果释放互斥锁时有一个以上的线程阻塞，那么这些阻塞的线程会被唤醒，它们都会尝试对互斥锁进行加锁，当有一个线程成功对互斥锁上锁之后，其它线程就不能再次上锁了，只能再次陷入阻塞，等待下一次解锁。在我们的程序设计当中，只有将所有线程访问共享资源都设计成相同的数据访问规则，互斥锁才能正常工作。如果允许其中的某个线程在没有得到锁的情况下也可以访问共享资源，那么即使其它的线程在使用共享资源前都申请锁，也还是会出现数据不一致的问题。
销毁互斥锁
当不再需要互斥锁时，应该将其销毁，通过调用 pthread_mutex_destroy()函数来销毁互斥锁。
条件变量
条件变量用于自动阻塞线程，知道某个特定事件发生或某个条件满足为止，通常情况下，条件变量是和互斥锁一起搭配使用的。使用条件变量主要包括两个动作：
● 一个线程等待某个条件满足而被阻塞；
● 另一个线程中，条件满足时发出“信号”
条件变量初始化
条件变量使用 pthread_cond_t 数据类型来表示，类似于互斥锁，在使用条件变量之前必须对其进行初始化。
对于初始化与销毁操作，有以下问题需要注意：
● 在使用条件变量之前必须对条件变量进行初始化操作，使用PTHREAD_COND_INITIALIZER 宏或者函数 pthread_cond_init()都行；
● 对已经初始化的条件变量再次进行初始化，将可能会导致未定义行为；
● 对没有进行初始化的条件变量进行销毁，也将可能会导致未定义行为；
● 对某个条件变量而言，仅当没有任何线程等待它时，将其销毁才是最安全的；
● 经 pthread_cond_destroy()销毁的条件变量，可以再次调用 pthread_cond_init()对其进行重新初始化。
通知和等待条件变量
条件变量的主要操作便是发送信号（signal）和等待。发送信号操作即是通知一个或多个处于等待状态的线程，某个共享变量的状态已经改变，这些处于等待状态的线程收到通知之后便会被唤醒，唤醒之后再检查条件是否满足。等待操作是指在收到一个通知前一直处于阻塞状态。
条件变量包括两个属性：进程共享属性和时钟属性。
自旋锁
自旋锁与互斥锁很相似，从本质上说也是一把锁，在访问共享资源之前对自旋锁进行上锁，在访问完成后释放自旋锁（解锁）；事实上，从实现方式上来说，互斥锁是基于自旋锁来实现的，所以自旋锁相较于互斥锁更加底层。
如果在获取自旋锁时，自旋锁处于未锁定状态，那么将立即获得锁（对自旋锁上锁）；如果在获取自旋锁时，自旋锁已经处于锁定状态了，那么获取锁操作将会在原地“自旋”，直到该自旋锁的持有者释放了锁。
自旋锁的不足之处在于：自旋锁一直占用的 CPU，它在未获得锁的情况下，一直处于运行状态（自旋），所以占着 CPU，如果不能在很短的时间内获取锁，这无疑会使 CPU 效率降低。
自旋锁通常用于以下情况：需要保护的代码段执行时间很短，这样就会使得持有锁的线程会很快释放锁，而“自旋”等待的线程也只需等待很短的时间；在这种情况下就比较适合使用自旋锁，效率高！
自旋锁与互斥锁之间的区别
● 实现方式上的区别：互斥锁是基于自旋锁而实现的，所以自旋锁相较于互斥锁更加底层；
● 开销上的区别：获取不到互斥锁会陷入阻塞状态（休眠），直到获取到锁时被唤醒；而获取不到自旋锁会在原地“自旋”，直到获取到锁；休眠与唤醒开销是很大的，所以互斥锁的开销要远高于自旋锁、自旋锁的效率远高于互斥锁；但如果长时间的“自旋”等待，会使得 CPU 使用效率降低，故自旋锁不适用于等待时间比较长的情况。
● 使用场景的区别：自旋锁在用户态应用程序中使用的比较少，通常在内核代码中使用比较多；因为自旋锁可以在中断服务函数中使用，而互斥锁则不行，在执行中断服务函数时要求不能休眠、不能被抢占（内核中使用自旋锁会自动禁止抢占），一旦休眠意味着执行中断服务函数时主动交出了CPU 使用权，休眠结束时无法返回到中断服务函数中，这样就会导致死锁！
读写锁
互斥锁或自旋锁要么是加锁状态、要么是不加锁状态，而且一次只有一个线程可以对其加锁。读写锁有3 种状态：读模式下的加锁状态（以下简称读加锁状态）、写模式下的加锁状态（以下简称写加锁状态）和不加锁状态（见），一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁，但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁。因此可知，读写锁比互斥锁具有更高的并行性！
读写锁有如下两个规则：
● 当读写锁处于写加锁状态时，在这个锁被解锁之前，所有试图对这个锁进行加锁操作（不管是以读模式加锁还是以写模式加锁）的线程都会被阻塞。
● 当读写锁处于读加锁状态时，所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以加锁成功；但是任何以写模式对它进行加锁的线程都会被阻塞，直到所有持有读模式锁的线程释放它们的锁为止。
高级 I/O
非阻塞 I/O
关于“阻塞”一词前面已经给大家多次提到，阻塞其实就是进入了休眠状态，交出了 CPU 控制权。前面所学习过的函数，譬如 wait()、pause()、sleep()等函数都会进入阻塞。
阻塞式 I/O
顾名思义就是对文件的 I/O 操作（读写操作）是阻塞式的，非阻塞式 I/O 同理就是对文件的I/O 操作是非阻塞的。
当对文件进行读操作时，如果数据未准备好、文件当前无数据可读，那么读
操作可能会使调用者阻塞，直到有数据可读时才会被唤醒，这就是阻塞式 I/O 常见的一种表现；如果是非阻塞式 I/O，即使没有数据可读，也不会被阻塞、而是会立马返回错误！
何为 I/O 多路复用
I/O 多路复用（IO multiplexing）它通过一种机制，可以监视多个文件描述符，一旦某个文件描述符（也就是某个文件）可以执行 I/O 操作时，能够通知应用程序进行相应的读写操作。
异步 IO
在 I/O 多路复用中，进程通过系统调用 select()或 poll()来主动查询文件描述符上是否可以执行 I/O 操作。而在异步 I/O 中，当文件描述符上可以执行 I/O 操作时，进程可以请求内核为自己发送一个信号。而在异步 I/O 中，当文件描述符上可以执行 I/O 操作时，进程可以请求内核为自己发送一个信号。之后进程就可以执行任何其它的任务直到文件描述符可以执行 I/O 操作为止，此时内核会发送信号给进程。
要使用异步 I/O，程序需要按照如下步骤来执行：
● 通过指定 O_NONBLOCK 标志使能非阻塞 I/O。
● 通过指定 O_ASYNC 标志使能异步 I/O。
● 设置异步 I/O 事件的接收进程。也就是当文件描述符上可执行 I/O 操作时会发送信号通知该进程，通常将调用进程设置为异步 I/O 事件的接收进程。
● 为内核发送的通知信号注册一个信号处理函数。默认情况下，异步 I/O 的通知信号是 SIGIO，所以内核会给进程发送信号 SIGIO。
存储映射 I/O
存储映射 I/O（memory-mapped I/O）是一种基于内存区域的高级 I/O 操作，它能将一个文件映射到进程地址空间中的一块内存区域中，当从这段内存中读数据时，就相当于读文件中的数据（对文件进行 read 操作），将数据写入这段内存时，则相当于将数据直接写入文件中（对文件进行 write 操作）。
文件锁
对于有些应用程序，进程有时需要确保只有它自己能够对某一文件进行 I/O 操作，在这段时间内不允许其它进程对该文件进行 I/O 操作。为了向进程提供这种功能，Linux 系统提供了文件锁机制。
而文件锁，顾名思义是一种应用于文件的锁机制，当多个进程同时操作同一文件时，我们怎么保证文件数据的正确性，linux 通常采用的方法是对文件上锁，来避免多个进程同时操作同一文件时产生竞争状态。
文件锁可以分为建议性锁和强制性锁两种
- 建议性锁本质上是一种协议，程序访问文件之前，先对文件上锁，上锁成功之后再访问文件，这是建议性锁的一种用法；但是如果你的程序不管三七二十一，在没有对文件上锁的情况下直接访问文件，也是可以访问的，并非无法访问文件；如果是这样，那么建议性锁就没有起到任何作用，如果要使得建议性锁起作用，那么大家就要遵守协议，访问文件之前先对文件上锁。
- 强制性锁比较好理解，它是一种强制性的要求，如果进程对文件上了强制性锁，其它的进程在没有获取到文件锁的情况下是无法对文件进行访问的。
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