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目录
一、线程间通信基础
1. 概念
2. 通信基础：共享空间
二、互斥锁（Mutex）
1. 概念
2. 使用流程
3. 函数接口
三、死锁
1. 概念
2. 死锁产生的 4 个必要条件
3. 避免死锁的方法
四、信号量（Semaphore）
1. 概念
2. 函数接口
3. 应用场景
一、线程间通信基础
1. 概念
线程间通信指多个线程之间传递信息的过程，是多线程协作完成任务的核心机制
2. 通信基础：共享空间
同一进程中的多个线程共享以下资源，这是线程间通信的基础：
- 文本段（代码区）
- 数据段（全局变量、静态变量等）
- 堆区（动态分配的内存空间）
注意：线程独享栈区（默认 8M），栈区数据不共享；因此线程间通信主要依赖共享的全局变量、堆区数据等
采用全局变量的原因：
- 进程是操作系统资源分配的最小单元
- 每个进程空间独立的，包含文本段+数据段（全局变量）+系统数据段
- 一个进程中的多个线程独享栈空间，文本段、数据段、堆区进程多线程共享
同一进程的线程共享全局变量、静态变量、堆区数据（malloc 分配），但局部变量（栈区）不共享；因此线程间通信需通过共享变量，避免使用栈区数据
- 多线程同时操作共享空间会引发资源竞争，需要加上互斥锁解决资源竞争问题
二、互斥锁（Mutex）
1. 概念
- 互斥锁是解决多线程资源竞争的核心机制，可视为一种 "独占性资源"
- 特性：同一时间只能有一个线程获得锁，加锁期间其他线程需等待解锁后才能再次加锁
- 临界区：加锁和解锁之间的代码段，即被互斥锁保护的共享资源操作代码
- 只能防止多个线程对资源的竞争，不能决定代码的先后执行顺序
- 原子操作：CPU 执行加锁 / 解锁操作时无法切换任务，保证操作的不可分割性
2. 使用流程
1. 定义互斥锁（全局变量）
2. 对锁初始化
3. 操作全局资源前先加锁
4. 如果加锁成功则完成对全局资源操作
5. 如果加锁失败则表示有人占用资源，必须等待其余人释放锁资源才能加锁成功
6. 直到加锁成功使用该全局资源
3. 函数接口
| 函数名 | 原型 | 功能 | 参数说明 | 返回值 |
|---|---|---|---|---|
| pthread_mutex_init | int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr) | 初始化互斥锁 | - 互斥锁变量地址 锁属性（默认 NULL，使用默认属性） | 成功返回 0 失败返回 - 1 |
| pthread_mutex_lock | int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) | 互斥锁加锁 |
互斥锁变量地址 | 成功返回 0 失败返回 - 1（若锁已被占用，会阻塞等待） |
| pthread_mutex_unlock | int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex) | 互斥锁解锁 |
互斥锁变量地址 | 成功返回 0 失败返回 - 1 |
| pthread_mutex_destroy | int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex) | 销毁互斥锁 |
互斥锁变量地址 | 成功返回 0 失败返回 - 1 |
三、死锁
1. 概念
多线程因加锁 / 解锁顺序错误，导致线程相互等待对方释放锁资源，程序无法继续执行的状态。
2. 死锁产生的 4 个必要条件
| 条件 | 说明 |
|---|---|
| 互斥条件 | 资源（如锁）只能被一个线程占用 |
| 不可剥夺条件 | 线程占用的资源不能被强制剥夺 |
| 请求保持条件 | 线程持有部分资源，同时请求其他资源 |
| 循环等待条件 | 线程间形成资源请求循环（如线程 1 等待线程 2 的锁，线程 2 等待线程 1 的锁） |
3. 避免死锁的方法
- 保持加锁顺序一致：所有线程按固定顺序加锁（如先锁 A 再锁 B）
- 使用非阻塞加锁：用
pthread_mutex_trylock（尝试加锁，失败时不阻塞，返回错误码）替代pthread_mutex_lock - 限时加锁：设置加锁超时时间，超时后释放已持有的锁
四、信号量（Semaphore）
1. 概念
- 信号量是一种资源
- 信号量只能完成四种操作：初始化、销毁、申请、释放
- 如果信号量资源数为0，申请资源会阻塞等待，直到占用资源的任务释放资源，资源数不为0时才能申请到资源并继续向下执行
- 释放资源不会阻塞
2. 函数接口
| 函数名 | 原型 | 功能 | 参数说明 | 返回值 |
|---|---|---|---|---|
| sem_init | int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value) | 初始化信号量 | - 信号量变量地址 0 表示线程间共享，非 0 表示进程间共享 初始资源数量 | 成功返回 0 失败返回 - 1 |
| sem_destroy | int sem_destroy(sem_t *sem) | 销毁信号量 |
信号量变量地址 | 成功返回 0 失败返回 - 1 |
| sem_wait | int sem_wait(sem_t *sem) | 申请信号量（P 操作） |
信号量变量地址 | 成功返回 0（资源数 - 1） 失败返回 - 1；资源数为 0 时阻塞 |
| sem_post | int sem_post(sem_t *sem) | 释放信号量（V 操作） |
信号量变量地址 | 成功返回 0（资源数 + 1） 失败返回 - 1 |
注意：
- 申请信号量会让信号量资源数-1
- 如果信号量资源数为0，则会阻塞等待，直到有任务释放资源，才能拿到资源并继续向下 执行
3. 应用场景
- 控制并发访问数量（如限制同时访问共享内存的线程数）
- 实现线程间的同步（如生产者 - 消费者模型中控制数据读写顺序）
注意：
- 互斥锁与信号量的区别
- 互斥锁：用于 "独占" 资源（资源数固定为 1），解决资源竞争
- 信号量：用于 "计数" 资源（资源数可自定义），控制并发数量或同步
2.临界区设计原则
- 临界区代码应尽可能精简，仅包含对共享资源的操作，减少线程等待时间，提高效率