线程的互斥与同步

先备知识

互斥：指在某一时刻只允许进程中的一个线程运行其中的代码片段。当线程A进入临界区对资源进行操作，其他线程必须等待，直到A执行完毕退出临界区，其他进程才可以对临界区资源进行操作。

同步：在互斥的基础上，实现线程之间的有序访问。假设线程A往缓冲区写数据，线程B往缓冲区读数据，它们之间就有一种制约关系----不能对缓冲区进行读和写。

(以下三态概念对进程和线程都适用）
运行态：
就绪态：
阻塞态：又称等待态或睡眠态。一个进程在等待某一事件发生（例如请求I/O而等待I/O完成，请求mutex而等待mutex被释放可用) 而暂时停止运行，直到某一事件完成才能继续执行。阻塞的概念尤其重要，并注意阻塞和等待是同义词，在很多API的文档里都是用阻塞block，但国内很多中文资料使用等待一次。

阻塞(block)和挂起(suspend)：阻塞是被动行为，不知道具体什么时刻被阻塞，也不知道具体什么时刻从阻塞中恢复进入就绪态；挂起是主动行为，拿sleep(seconds)这个api举例，sleep(seconds)就是让当前进程挂起seconds秒，然后准时醒来继续工作。

一个进程中所有线程共享的内容	每个线程自己的内容
地址空间	程序计数器
全局变量	寄存器
打开文件	堆栈
子进程	状态
信号与信号处理程序
即将发生的定时器
账户信息

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互斥锁

互斥锁是信号量的一个简化版本，实现简单有效。互斥锁是一个可以出于两态之一的变量：解锁和加锁，0表示解锁，其他值表示加锁。

pthread_mutex_lock(&mutex)：如果mutex作为参数传入时值为0，此函数调用成功，调用线程进入临界区。如果mutex作为参数传入时值非零，则表示mutex已被加锁，调用线程将被阻塞，直到在临界区中的线程完成并调用mutex_unlock()。

pthread_mutex_unlock(&mutex)：如果调用线程持有mutex，此函数调用将解锁mutex，mutex置0；如果调用线程不持有mutex，此函数调用的行为未定义。

1. 原子性：对mutex的加锁和解锁操作是原子的，一个线程进行mutex操作的过程中，其他线程不能对同一个mutex进行其他操作。
2. 单一性：拥有mutex的线程除非释放mutex，否则其他线程不能拥有此线程。
3. 非忙等待：等待mutex的线程处于阻塞状态，直到要等待的mutex处于未加锁状态，这时操作系统负责唤醒等待此mutex的线程。

当有多个线程都在等待一个被锁的互斥量时，在互斥量被释放时，除非设置了线程优先级，否则将由操作系统决定哪个线程将获得该互斥量，一般是随机的。

```
/*初始化方式*/
// 1. 静态方式
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);
// 2. 静态方式
pthread_mutex_t fastmutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; //普通的快速锁
pthread_mutex_t recmutex = PTHREAD_RECURISIVE_MUTEX_INITIALIZER_NP; //递归锁
pthread_mutex_t errchmutex = PTHREAD_ERRORCHECK_MUTEX_INITIALIZER_NP; //错误检查

/*加解锁操作*/
pthread_mutex_lock(&mutex); //无法获得mutex时，当前进程进入等待队列。
pthread_mutex_lock(&mutex); //无法获得mutex时，返回EBUSY而不是进入等待队列
pthread_mutex_unlock(&mutex); //

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条件变量

核心问题

1. 条件变量为什么要和互斥锁一起使用。
2. pthread_cond_wait实际上进行了哪些操作。

pthread_cond_wait(&cond, &mutex)

1. 调用时：阻塞当前进程，释放mutex [由此可知，该函数的调用前提是获得mutex，即pthread_mutex_lock(&mutex)]
2. 接收到另一个进程发送的pthread_cond_signal(&cond)或pthread_cond_broadcast(&cond)后：当前线程重新获得mutex，继续执行当前线程余下任务 [由此可知，完成任务后当前线程需要释放mutex]

pthread_cond_signal(&cond)：解开(unlock）一个等待条件变量cond的线程。
pthread_cond_broadcast(&cond)：解开(unlock）所有等待条件变量cond的线程们。

static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
static pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* thread1(void *arg){
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   printf("1\n");
   pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
   printf("2\n");
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   pthread_exit(NULL);
}

void* thread2(void *arg){
   sleep(1);  //let thread1 run first
   pthread_mutex_lock(&mutex);
   printf("3\n");
   sleep(3);
   printf("4\n");
   pthread_cond_signal(&cond);
   sleep(3);
   printf("5\n");
   sleep(3);
   pthread_mutex_unlock(&mutex);
   pthread_exit(NULL);
}
 // 输出顺序为 1 3 4 2 5

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信号量

关于信号量

1. 信号量是一种特殊的整型数据，在创建时需要设置一个初始值N，表示同时可以有N个任务可以访问该信号量所保护的临界区共享资源。N=1时信号量就变成了互斥锁，即同时只能有一个任务可以访问信号量保护的临界区共享资源。

2. 从另一个角度看：信号量用于累记唤醒次数，供以后使用，信号量取值为0表示没有保存下来的唤醒操作，信号量取值为N表示有N个唤醒动作。

3. down操作：api为sem_wait(&sem)。如果sem值为0，将阻塞调用进程，此时的down操作并未完成；如果sem值大于0，则对sem值减1，继续执行下面代码。

4. up操作：api为sem_post(&sem)。对sem值增1，如果一个或多个进程在该信号量上阻塞，无法完成一个先前的down操作，则由系统选择其中的一个并允许该进程完成它的down操作。

5. down操作和up操作都是原子操作，保证一旦一个信号量操作开始，则在该操作完成或阻塞之前，其他进程不允许访问该信号量。

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信号 signal

全称软中断信号，用来通知进程发生了异步事件。

1. 进程之间可以互相通过系统调用kill发送软中断信号。内核可以因为内部事件给进程发送信号，通知进程发生了某个事件。

2. 三种处理方式

   1. 类似中断的处理程序，对于需要处理的信号，进程可以指定处理函数，由该函数来处理，用signal()可以为信号指定处理程序。
   2. 采取系统默认的信号处理方式，大部分的缺省信号处理方式是使得进程终止。
   3. 忽略该信号，就像从未发生过一样，不做任何处理。

3. 在进程表的表项中有一个软终端信号域，该域中每一位对应一个信号，当有信号发送给进程时，对应位置位。由此可以看出，进程可以同时保留不同的信号，但无法对同一个信号计算数目。

有关信号的系统调用

1. signal系统调用
   用来设定某个信号的处理方法。

   #includ <signal.h>
   typedef void (*sig_t) (int);
   
   sig_t signal(int sig, sig_t func);
   

2. kill系统调用
   用来向进程发送一个信号。

   #include <sys/types.h>
   #include <signal.h>
   
   int kill(pid_t, int sig);
   

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未完待续