Linux 线程间通信和同步

很多时候，我们做项目并不会创建那么多进程，而是创建一个进程，在该进程中创建多个线程进行工作。

一、进程与线程

1、什么是进程、线程，有什么区别？

进程是资源（CPU、内存等）分配的基本单位，线程是 CPU 调度和分配的基本单位（程序执行的最小单位）。如果 CPU 是单核，同一时间只有一个进程在执行，多核 CPU 可以同一时间点有多个进程在执行。

2、多进程、多线程的优缺点

一个进程由进程控制块、数据段、代码段组成，进程本身不可以运行程序，而是像一个容器一样，先创建出一个主线程，分配给主线程一定的系统资源，这时候就可以在主线程开始实现各种功能。

当我们需要实现更复杂的功能时，可以在主线程里创建多个子线程，多个线程在同一个进程里，利用这个进程所拥有的系统资源合作完成某些功能。

优缺点：

1. 一个进程死了不影响其他进程，一个线程崩溃很可能影响到它本身所处的整个进程。
2. 创建多进程的系统花销大于创建多线程。
3. 多进程通讯因为需要跨越进程边界，不适合大量数据的传送。多线程无需跨越进程边界，适合大量数据的传送。

3、什么时候用进程，什么时候用线程

1. 创建和销毁较频繁使用线程，因为创建进程花销大。
2. 需要大量数据传送使用线程，因为多线程切换速度快，不需要跨越进程边界。
3. 安全稳定选进程；快速频繁选线程；

二、线程间通信/同步

上一篇文章我们讲了进程间通信的六种方式：管道和 FIFO、信号、消息队列、信号量、共享内存、套接字（Socket），今天我们讲一下线程间通信/同步的方式。

线程同步的方法：互斥锁、条件变量、自旋锁、读写锁，除此之外，还有信号量、屏障等等，在 Linux 应用开发当中，用的最多的还是互斥锁和条件变量。

为什么需要线程同步？

线程同步是在多线程环境下可能需要注意的一个问题。线程的主要优势在于，资源的共享性，譬如通过全局变量来实现信息共享，不过这种便捷的共享是有代价的，那就是多个线程并发访问共享数据所导致的数据不一致的问题。

1、互斥锁

互斥锁（mutex），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。

初始化互斥锁

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, const pthread_mutexattr_t *attr);

加锁、解锁

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

当互斥锁已经被其它线程锁住时，调用 pthread_mutex_lock()函数会被阻塞，直到互斥锁解锁；如果线程不希望被阻塞，可以使用 pthread_mutex_trylock()函数；调用 pthread_mutex_trylock()函数尝试对互斥锁进行加锁，如果互斥锁处于未锁住状态，那么调用 pthread_mutex_trylock()将会锁住互斥锁并立马返回，如果互斥锁已经被其它线程锁住，调用 pthread_mutex_trylock()加锁失败，但不会阻塞，而是返回错误码 EBUSY。

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex);

销毁互斥锁(不再需要互斥锁时，应该将其销毁)

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);

互斥锁死锁

如果一个线程试图对同一个互斥锁加锁两次，该线程会陷入死锁状态，一直被阻塞永远出不来；这就是出现死锁的一种情况。

有时，一个线程需要同时访问两个或更多不同的共享资源，而每个资源又由不同的互斥锁管理。当超过一个线程对同一组互斥锁（两个或两个以上的互斥锁）进行加锁时，就有可能发生死锁；譬如，程序中使用一个以上的互斥锁，如果允许一个线程一直占有第一个互斥锁，并且在试图锁住第二个互斥锁时处于阻塞状态，但是拥有第二个互斥锁的线程也在试图锁住第一个互斥锁。因为两个线程都在相互请求另一个线程拥有的资源，所以这两个线程都无法向前运行，会被一直阻塞，于是就产生了死锁。

2、条件变量

条件变量用于自动阻塞线程，直到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：

1. 一个线程等待某个条件满足而被阻塞；
2. 另一个线程中，条件满足时发出“信号”。

条件变量通常搭配互斥锁来使用，是因为条件的检测是在互斥锁的保护下进行的，也就是说条件本身是由互斥锁保护的，线程在改变条件状态之前必须首先锁住互斥锁，不然就可能引发线程不安全的问题。

初始化和销毁条件变量

#include <pthread.h>

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond, const pthread_condattr_t *attr);
int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);

条件变量的主要操作是发送信号（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。

函数 pthread_cond_signal()和 pthread_cond_broadcast()均可向指定的条件变量发送信号，通知一个或多个处于等待状态的线程。调用 pthread_cond_wait()函数是线程阻塞，直到收到条件变量的通知。

通知条件变量

#include <pthread.h>

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond);
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);

pthread_cond_signal()函数至少能唤醒一个线程，而 pthread_cond_broadcast()函数则能唤醒所有线程。

等待条件变量

#include <pthread.h>

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex);

3、自旋锁

自旋锁与互斥锁很相似，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。

自旋锁与互斥锁之间的区别：

1. 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；
2. 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。
3. 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！

初始化和销毁自旋锁

#include <pthread.h>

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);

加锁和解锁

#include <pthread.h>

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

4、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：

1. 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。
2. 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。

读写锁非常适合于对共享数据读的次数远大于写的次数的情况。

初始化和销毁读写锁

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *rwlock, const pthread_rwlockattr_t *attr);
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);

加锁和解锁

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock);