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二进制信号量：线程同步的基础
什么是二进制信号量？
二进制信号量是一种特殊的信号量，其值只能是0或1。它是最简单的线程同步机制之一，常用于线程间的简单协调。
#include <semaphore.h>sem_t sem; // 声明二进制信号量 sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化，第二个参数0表示线程间共享，初始值为1
二进制信号量的工作原理：
-
值为1：资源可用，线程可以继续执行
-
值为0：资源不可用，线程必须等待
二进制信号量的基本操作
-
sem_wait() - 获取信号量
sem_wait(&sem); // 如果sem>0则减1，否则阻塞
-
sem_post() - 释放信号量
sem_post(&sem); // 信号量值加1
-
sem_getvalue() - 获取当前信号量值
int val; sem_getvalue(&sem, &val);
二进制信号量与互斥锁的区别
虽然二进制信号量和互斥锁看起来很相似，但它们有重要区别：
| 特性 | 二进制信号量 | 互斥锁 |
|---|---|---|
| 所有者 | 无所有者概念 | 必须由加锁线程解锁 |
| 初始值 | 可设为0或1 | 通常初始为1 |
| 用途 | 线程同步、事件通知 | 保护临界区 |
| 性能 | 稍慢 | 更快 |
实际应用中的选择
-
使用信号量的场景：
-
需要线程间通知（如生产者-消费者）
-
需要限制并发访问数量
-
-
使用互斥锁的场景：
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保护共享资源的访问
-
需要确保解锁由同一线程完成
-
获取信号量的值
获取信号量的当前值可以使用sem_getvalue()
在并发编程中，条件变量（cond）、信号量（semaphore）和互斥锁（mutex）是三种核心的线程同步机制，它们有各自的特点和适用场景。以下是它们的详细对比和解释：
1. 互斥锁（Mutex）
作用
-
保护共享资源：确保同一时间只有一个线程能访问临界区（critical section），防止数据竞争。
特点
-
二元状态：只有锁定（locked）和解锁（unlocked）两种状态。
-
所有权：必须由加锁的线程解锁（不能跨线程解锁）。
-
阻塞行为：其他线程尝试获取已锁定的互斥锁时会被阻塞。
C语言示例
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;void* thread_func() {pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁// 临界区代码pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
}
适用场景
-
保护共享变量（如全局计数器）。
-
需要确保操作的原子性时。
2. 信号量（Semaphore）
作用
-
控制并发访问数量：允许多个线程（数量可配置）同时访问资源。
-
线程同步：协调线程的执行顺序（如生产者-消费者模型）。
特点
-
计数器：信号量是一个非负整数，表示可用资源数。
-
无所有者：任何线程都可以释放（
post）信号量。 -
阻塞行为：当信号量为0时，
wait操作会阻塞线程。
C语言示例
#include <semaphore.h>
sem_t sem;void init() {sem_init(&sem, 0, 3); // 初始值为3，允许3个线程并发
}void* thread_func() {sem_wait(&sem); // 信号量减1（若为0则阻塞）// 访问共享资源sem_post(&sem); // 信号量加1
}适用场景
-
限制数据库连接池的并发数。
-
实现生产者-消费者队列。
3. 条件变量（Condition Variable, cond）
作用
-
线程间通知：允许线程在某个条件满足时被唤醒，避免忙等待（busy-waiting）。
-
配合互斥锁使用：通常与互斥锁一起实现复杂的同步逻辑。
特点
-
无状态：本身不存储条件，需依赖外部条件判断。
-
等待/通知机制：线程通过
wait主动阻塞，通过signal或broadcast唤醒。
C语言示例
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0; // 条件标志// 等待线程
void* consumer() {pthread_mutex_lock(&mutex);while (!ready) {pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // 释放锁并阻塞}// 条件满足后的操作pthread_mutex_unlock(&mutex);
}// 通知线程
void* producer() {pthread_mutex_lock(&mutex);ready = 1;pthread_cond_signal(&cond); // 唤醒一个等待线程pthread_mutex_unlock(&mutex);
}适用场景
-
实现线程间的事件通知（如任务队列非空时唤醒工作线程）。
-
避免轮询检查条件（节省CPU资源）。
三者的核心区别
| 特性 | 互斥锁（Mutex） | 信号量（Semaphore） | 条件变量（cond） |
|---|---|---|---|
| 用途 | 保护临界区 | 控制并发访问数量 | 线程间事件通知 |
| 是否持有资源 | 是（锁的持有者） | 否（仅计数器） | 否（需外部条件判断） |
| 释放操作 | 必须由加锁线程解锁 | 任意线程可post | 任意线程可signal |
| 阻塞行为 | 获取锁失败时阻塞 | 信号量为0时阻塞 | 显式调用wait时阻塞 |
| 典型场景 | 共享变量修改 | 连接池限流 | 生产者-消费者模型 |
如何选择？
-
需要保护共享数据 → 互斥锁
（如：多个线程修改同一个全局变量） -
需要限制并发数 → 信号量
（如：最多5个线程同时访问数据库） -
需要等待某个条件成立 → 条件变量 + 互斥锁
（如：任务队列非空时唤醒线程）
常见问题解答
Q1: 为什么条件变量需要配合互斥锁？
-
条件变量的
wait操作会临时释放锁并阻塞，被唤醒后重新获取锁，确保条件检查的原子性。
Q2: 二进制信号量（初始值为1）和互斥锁的区别？
-
二进制信号量可以被任意线程释放，而互斥锁必须由加锁线程解锁。
Q3: 信号量的post和条件变量的signal有何不同？
-
sem_post会增加信号量计数器，可能唤醒多个线程（取决于wait的线程数）。 -
pthread_cond_signal仅唤醒一个等待线程（不涉及计数器）。
深入理解并行与并发及C语言线程池实现
并行(Parallelism) vs 并发(Concurrency)
并行是指多个任务真正同时执行，需要多核CPU硬件支持。在C语言中，我们可以通过创建多个线程并分配到不同CPU核心上来实现并行计算。
// 并行计算数组元素平方的示例
void* parallel_square(void* arg) {int* data = (int*)arg;for (int i = 0; i < CHUNK_SIZE; i++) {data[i] = data[i] * data[i]; // 无共享数据，可真正并行}return NULL;
}// 创建线程并行处理
pthread_t threads[4];
int chunks[4][CHUNK_SIZE];
for (int i = 0; i < 4; i++) {pthread_create(&threads[i], NULL, parallel_square, chunks[i]);
}并发是指多个任务交替执行，在单核CPU上通过时间片轮转实现"看似同时"的效果。典型的并发模式是使用互斥锁保护共享资源：
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
int shared_counter = 0;void* concurrent_increment(void* arg) {pthread_mutex_lock(&lock);shared_counter++; // 临界区pthread_mutex_unlock(&lock);return NULL;
}关键区别：
-
并行需要多核硬件，并发可在单核实现
-
并行是物理上的同时执行，并发是逻辑上的交替执行
-
并行性能可线性扩展，并发性能受限于上下文切换开销
这段代码实现了一个多线程任务队列系统，结合了互斥锁（pthread_mutex_t）和条件变量（pthread_cond_t）来安全地分配和处理任务。以下是详细解析：
1. 核心组件
（1）数据结构
typedef struct Task {int a, b; // 任务参数
} Task;Task taskQueue[256]; // 任务队列
int taskCount = 0; // 当前任务数
-
任务队列：固定大小的数组（256），存储待处理的
Task结构体。 -
任务计数：记录队列中当前的任务数量。
（2）同步机制
pthread_mutex_t mutexQueue; // 保护任务队列的互斥锁 pthread_cond_t condQueue; // 通知线程有新任务的条件变量
-
互斥锁：确保对
taskQueue和taskCount的访问是线程安全的。 -
条件变量：当队列为空时，让线程等待；当有新任务时，唤醒线程。
2. 关键函数
（1）提交任务 (submitTask)
void submitTask(Task task) {pthread_mutex_lock(&mutexQueue);taskQueue[taskCount] = task; // 添加任务到队列尾部taskCount++;pthread_mutex_unlock(&mutexQueue);pthread_cond_signal(&condQueue); // 唤醒一个等待的线程
}
-
线程安全：通过互斥锁保护队列操作。
-
信号通知：调用
pthread_cond_signal唤醒一个阻塞的线程（如果有）。
（2）线程执行逻辑 (startThread)
void* startThread(void* args) {while (1) {Task task;// 获取任务（加锁）pthread_mutex_lock(&mutexQueue);while (taskCount == 0) {pthread_cond_wait(&condQueue, &mutexQueue); // 队列空则等待}// 从队列头部取出任务task = taskQueue[0];for (int i = 0; i < taskCount - 1; i++) {taskQueue[i] = taskQueue[i + 1]; // 队列前移}taskCount--;pthread_mutex_unlock(&mutexQueue);// 执行任务（无锁，可并行）executeTask(&task);}
}
-
队列空时等待：
pthread_cond_wait会释放锁并阻塞，直到被pthread_cond_signal唤醒。 -
任务调度：采用 FIFO（先进先出） 策略处理任务。
-
并行执行：
executeTask在锁外执行，多个线程可同时处理不同任务。
（3）任务执行 (executeTask)
void executeTask(Task* task) {int result = task->a + task->b;printf("The sum of %d and %d is %d\n", task->a, task->b, result);
}
-
无锁操作：纯计算任务，可完全并行。
3. 主程序流程
-
初始化：
-
创建 4 个线程（
THREAD_NUM=4）。 -
初始化互斥锁和条件变量。
-
-
生成任务：
for (i = 0; i < 100; i++) {Task t = { .a = rand() % 100, .b = rand() % 100 };submitTask(t); // 提交100个随机任务 } -
线程结束：
-
主线程等待所有子线程完成（实际因
while(1)永不结束，需改进）。
-
4. 并发与并行分析
| 特性 | 实现方式 |
|---|---|
| 并发控制 | 互斥锁保护任务队列，条件变量优化线程等待/唤醒。 |
| 并行计算 | 多个线程同时执行 executeTask（无锁部分）。 |
| 任务调度 | 线程竞争获取任务，队列为空时阻塞，避免忙等待。 |
C语言的线程池API设计与实现
线程池是一种管理多个线程的技术，可以避免频繁创建销毁线程的开销。
基本结构
typedef struct {pthread_t* threads;TaskQueue* queue;pthread_mutex_t lock;pthread_cond_t notify;int thread_count;int shutdown;
} ThreadPool;
核心API
-
创建线程池：
ThreadPool* tp_create(int thread_count) {ThreadPool* pool = malloc(sizeof(ThreadPool));// 初始化互斥锁、条件变量等return pool;
}
-
添加任务：
void tp_add_task(ThreadPool* pool, void (*func)(void*), void* arg) {Task task = {func, arg};pthread_mutex_lock(&pool->lock);enqueue(pool->queue, task);pthread_cond_signal(&pool->notify);pthread_mutex_unlock(&pool->lock);
}
-
工作线程函数：
void* worker_thread(void* arg) {ThreadPool* pool = (ThreadPool*)arg;while(1) {pthread_mutex_lock(&pool->lock);while(pool->queue->size == 0 && !pool->shutdown) {pthread_cond_wait(&pool->notify, &pool->lock);}// 获取并执行任务pthread_mutex_unlock(&pool->lock);}return NULL;
}
线程池中的C函数指针
在线程池实现中，函数指针用于表示任务：
typedef struct {void (*function)(void*);void* argument;
} Task;
使用方法
-
定义任务函数：
void print_hello(void* arg) {int id = *(int*)arg;printf("Hello from task %d\n", id);
}
-
提交任务：
int task_id = 42; tp_add_task(pool, print_hello, &task_id);
高级技巧
使用函数指针数组实现多态任务处理：
void (*handlers[])(void*) = {handle_type_a, handle_type_b, handle_type_c};// 根据任务类型调用不同处理函数
void process_task(Task* task) {int type = get_task_type(task);handlers[type](task->argument);
}
遇到的问题与解决方案
问题1：为什么我的线程池没有输出？
现象：提交任务后程序无输出，直接退出。
原因：主线程在提交任务后立即退出，导致整个进程终止。
解决方案：
// 添加等待机制
while(tasks_not_completed) {sleep(1);
}
问题2：如何避免线程池中的任务饥饿？
解决方案：
-
实现任务优先级队列
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使用工作窃取(Work Stealing)算法
-
限制每个线程处理的任务数量
问题3：信号量和互斥锁混用时死锁
错误代码：
void foo() {pthread_mutex_lock(&mutex);sem_wait(&sem); // 可能死锁// ...
}
正确做法：保持锁的获取顺序一致，或重构代码减少锁的嵌套。