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深入理解pthread多线程编程：从基础到生产者-消费者模型

news 来源：原创 2025/5/18 3:08:03

前言

在多核处理器普及的今天，多线程编程已成为提高程序性能的重要手段。POSIX线程（pthread）是Unix/Linux系统下广泛使用的多线程API。本文将系统介绍pthread的关键概念，包括线程初始化、死锁预防、递归锁使用，并通过一个完整的生产者-消费者模型示例展示多线程同步的实际应用。

一、pthread基础与静态初始化

1.1 pthread的两种初始化方式

pthread提供了两种初始化互斥锁的方式：

动态初始化：

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

静态初始化（推荐）：

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

静态初始化的优势在于：

代码更简洁
线程安全
编译期即完成初始化

1.2 静态初始化的内部实现

PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER实际上是一个宏定义，展开后会对互斥锁的所有字段进行初始化。这种方式避免了运行时调用初始化函数的开销。

二、死锁分析与预防

2.1 死锁产生的四个必要条件

互斥条件：资源一次只能被一个线程占用
占有并等待：线程持有资源并等待其他资源
不可抢占：资源只能由持有者释放
循环等待：多个线程形成等待环路

2.2 典型死锁示例

// 线程A
pthread_mutex_lock(&mutex1);
pthread_mutex_lock(&mutex2);
// ...
pthread_mutex_unlock(&mutex2);
pthread_mutex_unlock(&mutex1);

// 线程B
pthread_mutex_lock(&mutex2);
pthread_mutex_lock(&mutex1);
// ...
pthread_mutex_unlock(&mutex1);
pthread_mutex_unlock(&mutex2);

2.3 死锁预防策略

固定加锁顺序：所有线程按相同顺序获取锁
使用trylock：pthread_mutex_trylock避免阻塞
超时机制：pthread_mutex_timedlock
锁层次结构：为锁定义严格的获取层次

三、递归互斥锁

3.1 为什么需要递归锁？

当同一线程需要多次获取同一个锁时，普通互斥锁会导致死锁。递归互斥锁允许同一线程多次加锁。

3.2 递归锁使用示例

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_settype(&attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, &attr);

void recursive_function() {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    // 可以安全地再次调用需要同一锁的函数
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}

四、信号量与生产者-消费者模型

4.1 信号量基础

信号量是一种更灵活的同步机制，核心操作：

sem_wait()：P操作，信号量减1
sem_post()：V操作，信号量加1

4.2 生产者-消费者模型实现

以下是经过完善的实现代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUFFER_SIZE 10
#define THREAD_NUM 4

sem_t semEmpty, semFull;
pthread_mutex_t mutexBuffer;
int buffer[BUFFER_SIZE];
int count = 0;
int should_stop = 0;

void* producer(void* args) {
    while (!should_stop) {
        int x = rand() % 100;
        
        sem_wait(&semEmpty);
        pthread_mutex_lock(&mutexBuffer);
        
        buffer[count] = x;
        count++;
        printf("Produced %d\n", x);
        
        pthread_mutex_unlock(&mutexBuffer);
        sem_post(&semFull);
        
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

void* consumer(void* args) {
    while (!should_stop) {
        int y;
        
        sem_wait(&semFull);
        pthread_mutex_lock(&mutexBuffer);
        
        if (count > 0) {
            y = buffer[count - 1];
            count--;
            printf("Consumed %d\n", y);
        }
        
        pthread_mutex_unlock(&mutexBuffer);
        sem_post(&semEmpty);
        
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    srand(time(NULL));
    pthread_t th[THREAD_NUM];
    
    // 初始化同步对象
    sem_init(&semEmpty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&semFull, 0, 0);
    pthread_mutex_init(&mutexBuffer, NULL);
    
    // 创建线程
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        if (i % 2 == 0) {
            pthread_create(&th[i], NULL, producer, NULL);
        } else {
            pthread_create(&th[i], NULL, consumer, NULL);
        }
    }
    
    // 运行20秒后停止
    sleep(20);
    should_stop = 1;
    
    // 等待线程结束
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_join(th[i], NULL);
    }
    
    // 清理资源
    sem_destroy(&semEmpty);
    sem_destroy(&semFull);
    pthread_mutex_destroy(&mutexBuffer);
    
    return 0;
}